Дослідники з Університету Карнегі-Меллона використали 3D-біодрук FRESH для створення перших мікрофізіологічних систем на основі колагену, що дає нову надію на лікування діабету 1 типу. Колаген широко визнаний за свою роль у підтримці здоров’я шкіри, але його значення виходить далеко за рамки цього. Як найпоширеніший білок в організмі людини, колаген забезпечує необхідну структуру та підтримку майже всіх тканин і органів.
Тепер дослідники з лабораторії Файнберга в Університеті Карнегі-Меллона зробили значний прорив, використовуючи свою нову техніку 3D-біодруку Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH). Цей метод дозволяє точно друкувати м’які живі клітини та тканини. Використовуючи цю технологію, команда успішно створила першу в світі мікрофізіологічну систему, також відому як модель тканини, повністю побудовану з колагену. Це досягнення відкриває нові можливості для вивчення захворювань та розробки тканинних методів лікування, включаючи потенційні методи лікування таких станів, як діабет 1 типу.
Традиційно, маломасштабні моделі людських тканин, які називаються мікрофлюїдикою, пристроями «орган на чіпі» або мікрофізіологічними системами, виготовлялися з використанням синтетичних матеріалів, таких як силіконова гума або пластмаси. Ці матеріали були необхідні через обмеження попередніх методів виробництва. Однак, оскільки вони не є біологічно нативними, вони не можуть повністю відтворити природне тканинне середовище, що обмежує їхню ефективність у біомедичних дослідженнях та терапевтичних розробках.
«Тепер ми можемо створювати мікрофлюїдні системи в чашці Петрі повністю з колагену, клітин та інших білків, з безпрецедентною структурною роздільною здатністю та точністю», – пояснив Адам Файнберг, професор біомедичної інженерії та матеріалознавства в Університеті Карнегі-Меллона. «Найголовніше, що ці моделі є повністю біологічними, а це означає, що клітини функціонують краще».
Створення складних тканин за допомогою біодруку FRESH
У новому дослідженні, опублікованому в Science Advances, група демонструє використання цього досягнення в біодруку FRESH, створюючи складніші васкуляризовані тканини з повністю біологічних матеріалів для створення тканини, подібної до панкреатичної, яку потенційно можна використовувати в майбутньому для лікування діабету 1 типу. Це досягнення в біодруку FRESH базується на попередній роботі команди, опублікованій в Science, шляхом покращення роздільної здатності та якості для створення флюїдних каналів, подібних до кровоносних судин діаметром приблизно до 100 мікрон.
«У технології друку FRESH було кілька ключових технічних розробок, які дозволили цю роботу», – описав Даніель Шиварський, доцент кафедри біоінженерії в Університеті Піттсбурга та попередній постдокторант у лабораторії Файнберга. «Запровадивши одностадійний процес виготовлення біодруку, ми виготовили перфузійні CHIPS на основі колагену в широкому діапазоні дизайнів, які перевершують роздільну здатність та точність друку будь-якого іншого відомого на сьогодні підходу до біодруку. Крім того, у поєднанні з багатоматеріальним 3D-біодруком білків позаклітинного матриксу, факторів росту та біочорнил, завантажених клітинами, та інтеграцією в спеціальну платформу біореактора, ми змогли створити конструкцію тканини підшлункової залози розміром у сантиметр, здатну виробляти стимульоване глюкозою вивільнення інсуліну, що перевищує сучасні підходи на основі органоїдів».
Цю технологію зараз комерціалізує FluidForm Bio, спін-аут-компанія Університету Карнегі-Меллона, де співавтор доктор Ендрю Хадсон, директор Tissue Therapeutics, та його команда вже продемонстрували на тваринній моделі, що вони можуть вилікувати діабет 1 типу in vivo. FluidForm Bio планує розпочати клінічні випробування на пацієнтах протягом наступних кількох років.
Важливість співпраці та майбутні напрямки
«Надзвичайно важливо, щоб кожен розумів важливість командної науки в розробці цих технологій та цінність, яку різноманітні знання, від біології до матеріалознавства, привносять як у проект, так і в наш вплив на суспільство», – уточнив Файнберг.
«У майбутньому питання не в тому, чи можемо ми це створити? Воно радше в тому, що ми створюємо? Робота, яку ми виконуємо сьогодні, полягає в тому, щоб поєднати ці передові можливості виготовлення з обчислювальним моделюванням та машинним навчанням , щоб ми могли краще зрозуміти, що нам потрібно надрукувати. Зрештою, ми хочемо, щоб тканина краще імітувала захворювання, яке нас цікавить, або, зрештою, мала правильну функцію, тому, коли ми імплантуємо її в організм як терапію, вона робитиме саме те, що ми хочемо».
Файнберг та його колеги прагнуть випускати розробки з відкритим кодом та інші технології, які дозволять широке впровадження в дослідницькій спільноті. «Ми сподіваємося, що дуже швидко інші лабораторії світу впровадять та розширять ці можливості на інші області захворювань та тканин», – додав Файнберг. «Ми розглядаємо це як базову платформу для створення складніших та васкуляризованих тканинних систем».
