Исследователи из Университета Голуэя разработали способ биопечати тканей, которые меняют форму под действием сил, создаваемых клетками, таким же образом, как это происходит в биологических тканях во время развития органов.

Прорывная наука сосредоточилась на репликации тканей сердца, приближая исследования к созданию функциональных биопечатных органов, которые найдут широкое применение в моделировании заболеваний, скрининге лекарственных препаратов и регенеративной медицине.

Исследование проводилось под руководством группы ученых из Школы инженерии и Исследовательского центра медицинских приборов CÚRAM Ireland при Университете Голуэя и было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials .

Технология биопечати использует живые клетки в специализированных материалах «биочернил» — субстанции или материале, который может поддерживать живые клетки, и благодаря своим характеристикам может способствовать адгезии, пролиферации и дифференциации клеток во время созревания. Технология открывает огромные перспективы для создания выращенных в лабораторных условиях органов, которые очень похожи по структуре на их человеческие эквиваленты.

Однако биопечать полностью функциональных органов остается существенным препятствием. Например, хотя биопечатные сердечные ткани могут сокращаться, их сила сокращения часто значительно слабее, чем у здорового взрослого сердца.

Традиционные методы биопечати часто направлены на прямое воссоздание окончательной анатомической формы органа, например, сердца, — таким образом, упуская из виду важную роль динамических изменений формы во время естественного эмбрионального развития. Например, сердце начинается как простая трубка, которая претерпевает ряд изгибов и скручиваний, чтобы сформировать свою зрелую четырехкамерную структуру. Эти формы-морфинговые поведения необходимы для моделирования развития и созревания клеток сердца.

Структурное и функциональное созревание тканей сердца, полученных из iPSC, изменяющих форму: a) i) Изменение формы биопечатных сердечных трубок с высокой плотностью клеток, содержащих iPSC-CM + HCF (соотношение 7:3, 20 миллионов клеток мл −1 ). Кредит: Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202414559
Исследовательская группа Университета Голуэя осознала это и разработала новую технологию биопечати, которая включает в себя важные механизмы изменения формы.

Анкита Праманик, ведущий автор исследования и кандидат наук CÚRAM в Университете Голуэя, сказала: «Наша работа представляет новую платформу, использующую встроенную биопечать для биопечати тканей, которые подвергаются программируемому и предсказуемому 4D-изменению формы под действием сил, генерируемых клетками. Используя этот новый процесс, мы обнаружили, что изменение формы улучшает структурную и функциональную зрелость биопечатаемых тканей сердца».

Исследование показало, что силы, генерируемые клетками, могут направлять изменение формы биопечатных тканей, и можно контролировать величину изменений формы, изменяя такие факторы, как начальная геометрия печати и жесткость биочернил. Было обнаружено, что морфинг формирует выравнивание клеток и улучшает сократительные свойства тканей. Исследовательская группа также разработала вычислительную модель , которая может предсказать поведение изменения формы ткани.

Профессор Эндрю Дейли, доцент кафедры биомедицинской инженерии и главный исследователь проекта, сказал: «Наше исследование показывает, что, если биопечатным тканям сердца позволить претерпеть изменение формы, они начинают биться сильнее и быстрее. Ограниченная зрелость биопечатных тканей была серьезной проблемой в этой области, поэтому для нас это был захватывающий результат. Это позволяет нам создавать более совершенную биопечатную сердечную ткань, способную созревать в лабораторных условиях, лучше воспроизводя структуру взрослого человеческого сердца » .

«Мы рады возможности развивать этот подход к изменению формы в нашем текущем проекте Европейского исследовательского совета, который сосредоточен на биопечати, вдохновленной развитием. Мы все еще далеки от биопечати функциональной ткани, которую можно было бы имплантировать людям, и в будущих работах необходимо будет изучить, как мы можем масштабировать наш подход к биопечати до человеческих сердец».

«Нам понадобится интегрировать кровеносные сосуды , чтобы поддерживать такие крупные конструкции в живых в лабораторных условиях, но в конечном итоге этот прорыв приближает нас к созданию функциональных биопечатных органов, которые найдут широкое применение в сердечно-сосудистой медицине».