Материалы, используемые в настоящее время в медицине для восстановления и регенерации, преимущественно создаются либо на основе материалов природного происхождения (в том числе полимеров альгината, желатина, коллагена, хитозана, фибрина и гиалуроновой кислоты, часто выделенного из животных тканей), либо из синтетических молекул (полиэтиленгликоля; PEG112-115). Преимуществом природных полимеров для 3D биопечати и других приложений для тканевой инженерии являются их сходство с человеческим межклеточным матриксом и свойственная им биологическая активность. Преимуществом синтетических полимеров является то, что они могут быть адаптированы по специфическими физическими свойствами в соответствии с конкретными приложениями. Проблемы при использовании синтетических полимеров включают плохую биосовместимость, токсичные продукты распада и потерю механических свойств при распаде. Тем не менее, синтетические гидрогели, которые являются гидрофильными и абсорбирующими, подходят для 3D биопечати, используемой в интересах регенеративной медицины, благодаря легкости контроля за их физическими свойствами в процессе синтеза. Так как разнообразие биологических материалов для медицинских приложений увеличивается, список желательных черт для печатных материалов становится более конкретным и сложным
Материалы должны иметь соответствующие механизмы соединения для содействия осаждению биопринтером, должны быть биологически совместимы для долгосрочной трансплантации и иметь соответствующие характеристики набухания и краткосрочной стабильности. Краткосрочная стабильность необходима для поддержания первоначальных механических свойств, исключая коллапс тканевых структур, таких как поры, каналы и сети. Так как напечатанные с помощью 3D-технологий ткани развиваются invivo, они должны быть доступны ремоделированию, облегчая формирование структур, управляемых клеточными и физиологическими потребностями. Самое главное, материалы должны поддерживать пролиферацию, клеточную адгезию и функционирование клеток.
Ключевые атрибуты материалов:
· пригодности к печати,
· биосовместимость,
· кинетика и побочные продукты распада,
· структурные и механические свойства
· Биомимикрия материалов
Источники клеток
Выбор клеток для 3D-биопечати тканей или органов — важнейшее условие их правильного функционирования в созданном материале. Вариантов для биопечати клеток всего два: изначальное внесение шаблонных клеток разных типов как основы будущей ткани или печать стволовых клеток с их дальнейшей пролиферацией и дифференциацией в нужные клеточные типы. Клетки, выбранные для биопечати, должны максимально воспроизводить естественное физиологическое состояние клеток invivo и сохранять свои свойства в оптимальных условиях.
Любые клетки, что выбираются для биопечати, должны обладать свойством увеличиваться в достаточном количестве. Тщательный контроль клеточной пролиферации invitro и invivo крайне важен для биопечати. Слишком низкий уровень пролиферации может стать причиной потери жизнеспособности трансплантируемого материала, в то время как излишняя пролиферация повлечет за собой гиперплазию или апоптоз.
Как и с любыми трансплантированными тканями или органами, потенциальной проблемой при использовании биопечатных моделей может быть отторжение материала иммунной системой организма хозяина. Впрочем, данная проблема может быть решена использованием аутологичного источника клеток или же применением стратегий индукции толерантности. Аутологичные источники клеток могут быть получены с помощью биопсии, путем дифференциации собственных клеток организма или же используя другие подходы.
Многие типы первичных клеток тяжело изолировать и культивировать, и их ограниченная продолжительность жизни является одним из лимитирующих факторов для длительного функционирования любой биопечатной модели. Стволовые клетки – многообещающая основа для выращивания органов благодаря их возможности пролиферировать в недифференцированном состоянии (самообновление) и давать начало множественными тканеспецифичным клеточным фенотипам.
Существуют 4 типа тканей, которые можно упорядочить по схеме «от простого к сложному» в следующем порядке: двухмерные ткани(кожа) – полые трубки (кровеносные сосуды) – полые органы (мочевой пузырь) – паренхиматозные органы (почки). Поскольку сложность тканей возрастает, необходимы новые подходы для преодоления трудности на пути к их биопечати. Двухмерные органы уже производились и тестировались, и, скорее всего, именно они станут первыми биопечатными органами, что будут трансплантированы пациентам. Полые трубки, например, сосуды, трахея и уретра находятся в процессе развития, и, скорее всего, будут второй ступенью в клиническом использовании биопечатных моделей. Полые органы являются более сложными, и требуют больше времени на создание. Паренхиматозные органы – наиболее сложные структуры, и в процессе их создания на данном этапе нерешенными остаются многие вопросы, особенно практическая сторона обеспечения необходимой васкуляризации и иннервации.
Примеры биопечатных тканей в масштабе человеческого тела. Заместители кожи и хряща созданы с использованием струйных биопечатных систем, обладающих возможностью производить ткани как invitro, так и insitu. Сосудистый имплант был создан с использованием микроэкструзионных и расплавленных клеточных сосудистых нитей. Аортальный клапан, также напечатанный с использованием экструзионного метода, состоит из клеток двух типов: мышечных клеток корня аорты и интерстициальных клеток створки аортального клапана. Биорезорбируемая шина дыхательных путей была напечатана лазерным биопринтером, а ранний прототип почки – с помощью, опять же, микроэкструзионного принтера. Все вышеупомянутые ткани в ходе процесса создания требовали объединения многочисленных компонентов для достижения необходимых размеров и функциональности. Все изображения напечатаны с разрешения авторов (указаны в источниках).
Перспективы
Большинство проблем, которые предстоит решить в сфере биопечати, связаны с особыми техническими, материальными и клеточными аспектами самого процесса (Табл.2)
| Cфера | Цели дальнейших исследований |
| Технологический аспект биопринтера | Совместимость с биологически необходимыми материалами и клетками.Увеличение разрешения и скорости.Увеличение для коммерческого применения.Комбинирование различных технологий для решения технических проблем. |
| Биоматериалы | Применение комплексных комбинаций для достижения желаемой функциональности, механических и поддерживающих свойств.Модифицирование для облегчения процесса печати с дальнейшим сохранением функций.Использование децеллюляризованныхтканеспецифичных каркасов ВКМ для изучения компонентов внеклеточного матрикса. |
| Источники клеток | Необходимы репродуктируемые источники клеток.Использование комбинаций клеточных фенотипов с различными функциями.Изучение гетерогенных клеточных типов в различных тканях.Непосредственный контроль над процессами дифференциации и пролиферации с помощью малых молекул или других химических веществ. |
| Васкуляризация | Хорошо развитое сосудистое дерево крайне необходимо для функционирования тканей.Может быть индуцирована в готовой биопечатной модели.Капилляры и микрососуды необходимы для кровоснабжения тканей.Должны обладать подходящими механическими свойствами для противостояния физиологическому давлению и для возможности применения метода хирургического соединения. |
| Иннервация | Иннервация обязательна для нормального функционирования.Может быть индуцирована после трансплантации модели с помощью фармакологических средств или факторов роста.Может быть достигнута до трансплантации путем использования биореакторов. |
| Созревание | Время, необходимое для полноценного созревания.Биореакторы могут быть использованы для поддержания тканей invitro.Использование как факторов созревания, так и физиологических стресс-факторов.Потенциал для преимплантационного тестирования конструкций. |
Сфера биопечати также сталкивается с трудностями, общими для всех, кто работает с вопросами тканевой инженерии и регенеративной медицины. Например, с важностью обеспечения необходимой васкуляризации созданной модели для длительной жизнеспособности конструкции. Некоторые исследования продемонстрировали возможность создания разветвленного сосудистого дерева для биопечатных конструкций органов. В чем же сложность? Во-первых, в совместимости процесса с материалами, клетками и другими компонентами печатной системы. К тому же, время, необходимое для роста и созревания перфузируемойваскулярной сети через всю тканевую конструкцию может быть более продолжительным, чем, собственно, период жизнеспособности самих клеток. Биореакторы могут обеспечить поддержание жизнеспособности тканевых конструкций и «купить» время, необходимое для постпечатной интеграции тканей, их ремоделирования и созревания. Использование биореактора может комбинироваться с факторами, что способствуют васкуляризации и иннервации, поддержанию и сохранению клеточной жизнеспособности. К тому же, биореакторы необходимы для поддержания параметров микросреды: температуры, рН, концентрации питательных веществ и газов, регуляции специфических механических стимулов. Эти параметры требуют разработки для каждого типа ткани, и должны учитывать цель создания ее биопечатной модели.
Альтернативным подходом к парадигме трансплантации биопечатных моделей является процесс биопечатиinvivo, где клетки и материалы в ходе печати размещаются непосредственно в полость тела пациента или на его поверхность. В настоящее время, данный метод использовался в нашей лаборатории для биопечати кожи непосредственно в рану или на ожог, а также другими исследователями для биопечати костей в место повреждения свода черепа у мышей. При повышении скорости работы и разрешения 3D-биопринтеров, этот подход может стать применимым для регенерации тканей invivo непосредственно после полученных повреждений или во время операции. Одним из интересных направлений развития этой методики может быть потенциальная интеграция 3D-биопринтеров в малоинвазивные роботизированные хирургические инструменты. Устройство, в котором будут объединены технологии роботизированных хирургических инструментов и 3D-биопринтера, сможет извлекать и восстанавливать ткани в ходе одной операции, и, возможно, сократить время заживления тканей после удаления их части в ходе хирургического вмешательства.
3D-биопечатные модели тканей используются не только для целей трансплантологии, но и для изучения влияния наркотических агентов, анализа химических, биологически активных и токсичных веществ, а также для базовых исследований. В ходе движения на пути от простого к более сложному (двухмерные ткани, например, кожа -> кровеносные сосуды -> полые органы, например, мочевой пузырь -> паренхиматозные органы – почки), исследователям предстоит столкнуться с чрезвычайно серьезными проблемами, включая требования к материалам и клеткам, процессы созревания и функционирования тканей, необходимость васкуляризации и иннтервации (см. График 4).
Таким образом, комплексные исследования крайне необходимы для решения этих проблем и дальнейшей реализации всего потенциала 3D-биопечати и, как результат, кардинального преобразования сферы регенеративной медицины.