Язвой желудка и другими ранами желудка страдает каждый восьмой человек во всем мире, но обычные традиционные методы лечения имеют недостатки. Теперь ученые стремятся решать такие проблемы, исследуя новый рубеж в трехмерной печати: депонирование живых клеток непосредственно внутри человеческого тела.
Подобно тому, как трехмерные принтеры накладывают слои материала для создания структур, биопринтеры вытесняют живые клетки для производства тканей и органов. Долгосрочная мечта этой концепции состоит в том, чтобы люди, находящиеся в активной очереди на донорство органов — почти 70 000 человек в одних только США, по данным некоммерческой организации United Network for Organ Sharing — однажды могли бы получить возможность получить орган с биопечатью. Хотя возможность создать функциональное сердце или почку таким образом, вероятно, появится в будущем, реалистичные краткосрочные цели включают биопечать более простых структур, таких как костные трансплантаты. Однако живые ткани, отпечатанные вне тела, все равно потребуют операции по имплантации, которая часто включает в себя большие разрезы, которые увеличивают риск инфекции и увеличивают время восстановления.
Что, если бы вместо этого врачи могли печатать клетки прямо внутри тела? Идея состоит в том, чтобы использовать современные минимально инвазивные хирургические методы для введения инструментов трехмерной печати пациентам через небольшие разрезы, а затем наложения новых тканей. Возможные области применения такой «биопечати in vivo» могут включать хирургические сетки для лечения грыж и пластыри для яичников, чтобы помочь обратить вспять бесплодие.
Большая часть предыдущих исследований биопечати in vivo была сосредоточена на лечении кожи и других тканей во внешней части тела, поскольку необходимое оборудование обычно слишком велико для доступа к пищеварительному тракту и другим центрально расположенным органам без обширного хирургического вмешательства. В своих усилиях по менее инвазивному лечению поражений желудка ученые в Китае хотели разработать миниатюрного робота для биопечати, который мог бы относительно легко проникать в человеческое тело. Исследователи использовали существующие методы для создания ловких электронных устройств, таких как механические пчелы и роботы , похожие на тараканов , говорит старший автор исследования Тао Сюй, биоинженер из Университета Цинхуа в Пекине.
В результате микробот имеет ширину всего 30 миллиметров — меньше половины ширины кредитной карты — и может складываться до 43 миллиметров в длину. Оказавшись внутри тела пациента, он разворачивается, становясь длиной 59 миллиметров, и может начать биопечать. «Команда сконструировала хитроумные механизмы, которые делают систему компактной при входе в тело и в то же время разворачиваются, чтобы обеспечить большую рабочую зону после жестких сужений при входе», — говорит Дэвид Хелзл, инженер-механик из Университета штата Огайо, который не принял участие в исследовании.
В своих экспериментах китайские исследователи установили микроробота на эндоскоп (длинную трубку, которую можно вставить через отверстия в теле) и успешно протянули ее через изогнутую трубу в прозрачную пластиковую модель желудка. Там они использовали его для печати гелей, заполненных слизистой оболочкой желудка человека и мышечными клетками желудка (которые были выращены в культуре в коммерческой лаборатории) на лабораторной посуде. Напечатанные клетки оставались жизнеспособными и стабильно размножались в течение 10 дней. «Это исследование — первая попытка совместить микророботов и биопечать», — говорит Сюй.
Исследователи говорят, что основные методы лечения поражений желудка включают медикаменты, которые действуют медленно и не всегда очень эффективны; эндоскопическая операция, с помощью которой можно залечить только относительно небольшие раны; и спреи, вводимые эндоскопически, останавливают кровотечение, но не помогают полностью залечить более крупную травму. По словам Сюя, надежда на биопечать in vivo заключается в том, что в конечном итоге эти методы могут быть улучшены за счет заделки поражений желудка живыми структурами, которые могут их восстанавливать.
Сюй добавляет, что в ходе будущих исследований микроробот может быть уменьшен до 12 миллиметров в ширину и оснащен камерами и другими датчиками, которые помогут ему выполнять более сложные операции. Этим летом он и ведущий автор исследования Вэньсян Чжао из Университета Цинхуа подробно рассказали о своих открытиях в журнале Biofabrication.
Сюй и его коллеги отмечают, что гели, которые они использовали в качестве «чернил» для биопечати, были стабильными только в относительно холодном состоянии. При нормальной температуре тела они были слишком жидкими, чтобы хорошо образовывать структуры. Более того, раствор хлорида кальция, который исследователи добавили для отверждения гелей, потенциально может повредить человеческий организм. Но другой гель, недавно независимо разработанный Хельзле и его коллегами, может помочь решить эти проблемы: он может сохранять свою форму при температуре тела и может затвердевать с использованием видимого света.
Одна из проблем биопечати — как эффективно прикрепить отпечатанные клетки к существующим мягким органам и тканям. Hoelzle и его коллеги протестировали потенциальное решение, пытаясь «залечить» проколы в текстурно схожих материалах, включая полоски сырых куриных грудок. Во-первых, сопло трехмерного принтера выдавило крошечную ручку биочернил в прокол, создав якорь, который мог соединить проколотую ткань с биопечатью. Затем они медленно вытащили насадку, оставив за нитью материала, который они могли использовать, чтобы отложить больше клеток на внешней стороне ткани. «Эта работа поучительна, — говорит Сюй. Он добавляет, что использование этих методов поможет дальнейшему развитию биопечати in vivo.
Hoelzle предполагает, что эта технология, скорее всего, никогда не сможет печатать сложные органы. Вместо этого он может оказаться полезным, если дополнить стандартные хирургические операции относительно скромными печатными структурами, которые могут выделять лекарства для ускорения заживления или предотвращения инфекции. «Есть много возможностей для материалов для тканевой инженерии… которые в настоящее время не рассматриваются, потому что никто не захочет открывать пациента для доставки материала», — говорит Хелцле.