То, что сегодня кажется фантастикой – выращивание искусственных тканей и органов, – уже несколько лет разрабатывается в лабораториях ученых. 3D-биопринтингом – печатью тканей с помощью струйных принтеров – занимаются и в Институте межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, IGB) в Штутгарте. Одну из своих последних разработок немецкие ученые представили на выставке Biotechnica, проходившей в Ганновере 8–10 октября 2013 г.

По данным Немецкого фонда трансплантации органов (German Organ Transplantation Foundation), количество доноров органов в первой половине 2013 года снизилось более чем на 18 процентов по сравнению с тем же периодом предыдущего года. В то же время можно с уверенностью сказать, что спрос на органы будет постоянно расти, потому что мы продолжаем стареть, а область трансплантационной медицины постоянно развивается. Многие серьезнейшие заболевания уже сегодня можно успешно лечить заменой клеток, тканей или органов. Поэтому ученые упорно работают над усовершенствованием методов производства искусственных тканей. Это то, чем можно восполнить дефицит донорских органов.

Решающую роль в этой области может сыграть технология, с которой все мы хорошо знакомы, но большинство из нас, конечно, не связывают ее с производством искусственных тканей. Это струйный принтер. Ученые из IGB достигли значительного успеха в разработке биочернил, пригодных для использования в биопечати.

Эти прозрачные жидкости состоят из компонентов природного тканевого матрикса и живых клеток. Новые биочернила основаны на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена.

Полимеры из модифицированного желатина – как и природные ткани – содержат огромное количество воды, но остаются стабильными в водной среде и при нагревании до физиологических 37°С. Химическую модификацию биологических молекул можно контролировать, с тем чтобы получать гели с различными характеристиками прочности и набухания. Это позволяет имитировать свойства разных естественных тканей – от твердого хряща до мягкого жира.

В Штутгарте печатаются и синтетические материалы – искусственные заменители внеклеточного матрикса. Примером тому система, которая при отверждении дает гидрогель, лишенный побочных продуктов, и может быть немедленно заполнена живыми клетками. Но на данный момент наибольшее внимание ученые уделяют «естественному» варианту гидрогелей.

«Несмотря на то, что синтетические гидрогели обладают большим потенциалом, нам еще многое нужно узнать о взаимодействиях между искусственными веществами и клетками или природными тканями. Наши основанные на биомолекулах варианты обеспечивают клетки естественной средой и поэтому могут стимулировать самоорганизацию клеток в модель функциональной ткани», – объясняет доктор Кирстен Борхерс (Kirsten Borchers), представлявшая новую разработку на выставке.

Принтеры в лаборатории в Штутгарте имеют много общего с обычными офисными принтерами – различия обнаруживаются только при ближайшем рассмотрении. Например, нагреватель на чернильном контейнере, с помощью которого устанавливается температура биочернил. Кроме того, у биопринтеров меньше струй и резервуаров, чем у их офисных «коллег».

«Нам хотелось бы увеличить их количество, чтобы одновременно печатать разными чернилами с разными клетками и матриксами. Так мы сможем приблизиться к воспроизведению сложных структур и различных типов тканей», – говорит Борхерс.

В лаборатории, а не в офисе: для нанесения клеточных суспензий на переливающиеся розовые пластинки из гидрогеля, препятствующие высыханию,
ученые используют струйные принтеры. (Фото: © Fraunhofer IGB)

Большой проблемой на данный момент является создание васкуляризированной ткани. Это означает, что ткань должна иметь свою собственную систему кровеносных сосудов, снабжающую ее питательными веществами. Вместе с партнерами IGB работает над этой проблемой в рамках проекта ArtiVasc 3D при поддержке Европейского Союза. Сутью этого проекта является технологическая платформа для создания мелких кровеносных сосудов из синтетических материалов и первой искусственной кожи с ее подкожной жировой клетчаткой.

«Этот этап очень важен для будущей печати тканей или целых органов, – комментирует Борхерс. «Печать более крупных тканевых структур станет возможной только тогда, когда мы достигнем успеха в получении ткани, которая питается системой кровеносных сосудов».