3D-друковані кровоносні судини, крок до штучних органів

Дефіцит органів, доступних для трансплантації, залишається серйозною проблемою: попит значно перевищує пропозицію. У Сполучених Штатах понад 100 000 людей перебувають у списках на трансплантацію органів, і деякі можуть чекати роками, щоб отримати їх, якщо виживуть. Зіткнувшись з цією нестачею та ризиками, пов'язаними з відторгненням трансплантата, регенеративна медицина досліджує інноваційні рішення. Зокрема, вчені прагнуть створювати індивідуально виготовлені органи, виготовлені з власних клітин пацієнта, щоб швидше та ефективніше реагувати на потреби.

Дослідники Стенфордського університету нещодавно досягли ключової віхи. Вони розробили передову техніку, яка дозволяє проєктувати та друкувати кровоносні судини на 3D-принтері з великою точністю та швидкістю. Цей прорив вирішує одну з основних проблем у створенні персоналізованих органів з клітин пацієнта.

         

        Для функціонування органу кров повинна циркулювати від великих артерій до крихітних судин, де вона живить клітини. Клітини повинні бути дуже близько до капілярів, щоб вижити – іноді менше, ніж за волосину, особливо в таких органах, як серце. В одному кубічному міліметрі серцевої тканини може бути понад 2500 капілярів, всі з'єднані один з одним, перш ніж покинути орган. Оскільки кожен орган має унікальну форму, створення відповідної мережі судин є складним і повільним процесом. Досі дослідники часто використовували прості, стандартні судинні моделі, ефективні для малих тканин, але непридатні для більших, різноманітніших органів.

Команда Стенфорда розробила метод створення складних 3D-мереж кровоносних судин, що знаходяться в органах. Їхня система точно відтворює природну структуру цих судин і робить це набагато швидше, ніж будь-коли раніше. Вона також може перетворити ці моделі на інструкції, які можна використовувати безпосередньо 3D-принтером. Команда розробила алгоритм, здатний створювати мережі кровоносних судин, дуже близькі до мереж реальних органів. Інтегрований у їхнє програмне забезпечення SimVascular з відкритим кодом, він використовує симуляції для забезпечення належного кровотоку, запобігає перетину судин одна з одною та формує замкнене коло з одним входом і виходом, водночас значно пришвидшуючи процес створення.

«На створення комп’ютерної моделі дерева для васкуляризації людського серця знадобилося близько п’яти годин. Нам вдалося досягти щільності, коли будь-яка клітина в моделі знаходилася б приблизно на відстані від 100 до 150 мікронів від найближчої кровоносної судини, що досить добре», – пояснює Закарі Секстон, постдокторський дослідник і співавтор дослідження. Модель включала близько мільйона судин. «Це завдання раніше не виконувалося і, ймовірно, зайняло б місяці з попередніми алгоритмами». Хоча 3D-принтери ще не можуть створювати дуже тонкі мережі, дослідникам вдалося надрукувати модель з 500 гілками. Вони також випробували простішу версію з використанням клітин нирок людини. За допомогою біопринтера вони циркулювали поживну рідину через 25 невеликих судин, підтримуючи багато клітин поблизу мережі живими.

Дослідники зазначають, що створені структури ще не є справжніми кровоносними судинами. Це просто канали, надруковані на 3D-принтері, без специфічних клітин, які зазвичай складають судинні стінки. «Це перший крок до створення справді складних судинних мереж», – пояснює Домінік Рютше, постдокторант і співавтор першої статті.

«Ми можемо друкувати їх з небаченою раніше складністю, але вони ще не є повністю фізіологічними судинами. Ми працюємо над цим». Зараз команда працює над тим, щоб зробити ці мережі повністю функціональними. Вони також шукають способи стимулювати природне формування найтонших судин, одночасно покращуючи швидкість і точність біопринтерів.