3D-печатные кровеносные сосуды, шаг к искусственным органам

Дефицит органов, доступных для трансплантации остается серьезной проблемой: спрос значительно превышает предложение. В Соединенных Штатах более 100 000 человек находятся в списках трансплантации органов, и некоторые могут ждать годами, чтобы получить их, если выживут. Столкнувшись с этим недостатком и рисками, связанными с отторжением трансплантата, регенеративная медицина исследует инновационные решения. В частности, ученые стремятся создавать индивидуально изготовленные органы из собственных клеток пациента, чтобы быстрее и эффективнее реагировать на потребности.

Исследователи Стэнфордского университета недавно добились ключевой вехи. Они разработали передовую технику, позволяющую проектировать и печатать кровеносные сосуды на 3D-принтере с большой точностью и быстротой. Этот прорыв решает одну из основных проблем в создании персонализированных органов из клеток пациента.

          

Для функционирования органа кровь должна циркулировать от крупных артерий к крошечным сосудам, где она питает клетки. Клетки должны быть очень близки к капиллярам, чтобы выжить – иногда меньше, чем волос, особенно в таких органах, как сердце. В одном кубическом миллиметре сердечной ткани может быть более 2500 капилляров, все соединены друг с другом, прежде чем покинуть орган. Поскольку каждый орган имеет уникальную форму, создание соответствующей сети сосудов представляет собой сложный и медленный процесс. До сих пор исследователи часто использовали простые, стандартные сосудистые модели, эффективные для малых тканей, но непригодные для более крупных, разнообразных органов.

Команда Стэнфорда разработала метод создания сложных 3D-сетей находящихся в органах кровеносных сосудов. Их система точно воспроизводит естественную структуру этих сосудов и делает это гораздо быстрее, чем когда-либо раньше. Она также может превратить эти модели в инструкции, которые можно использовать непосредственно 3D-принтером. Команда разработала алгоритм, способный создавать сети кровеносных сосудов, очень близкие к сетям реальных органов. Интегрированный в их программное обеспечение SimVascular с открытым кодом, он использует симуляции для обеспечения надлежащего кровотока, предотвращает пересечение сосудов друг с другом и формирует замкнутый круг с одним входом и выходом, в то же время значительно ускоряя процесс создания.

           
        
         «На создание компьютерной модели дерева для васкуляризации человеческого сердца ушло около пяти часов. Нам удалось добиться плотности, когда любая клетка в модели находилась бы примерно на расстоянии от 100 до 150 микрон от ближайшего кровеносного сосуда, что достаточно хорошо», – объясняет Закари Секстон, постдокторский исследователь и соавтор исследования. Модель включала около миллиона сосудов. "Эта задача раньше не выполнялась и, вероятно, заняла бы месяцы с предыдущими алгоритмами". Хотя 3D принтеры еще не могут создавать очень тонкие сети, исследователям удалось напечатать модель с 500 ветвями. Они также опробовали более простую версию с использованием клеток почек человека. Посредством биопринтера они циркулировали питательную жидкость через 25 небольших сосудов, поддерживая многие клетки вблизи сети живыми.

Исследователи отмечают, что созданные структуры еще не являются настоящими кровеносными сосудами. Это просто каналы, напечатанные на 3D-принтере, без специфических клеток, обычно составляют сосудистые стенки. "Это первый шаг к созданию действительно сложных сосудистых сетей", - объясняет Доминик Рютше, постдокторант и соавтор первой статьи.

«Мы можем печатать их с невиданной ранее сложностью, но они еще не полностью физиологические сосуды. Мы работаем над этим». Сейчас команда работает над тем, чтобы сделать эти сети полностью функциональными. Они также ищут способы стимулировать естественное формирование тончайших сосудов, одновременно улучшая скорость и точность биопринтеров.