3D tisk lidského srdce

Výzkumný tým z Carnegie Mellon University, Věda Podrobně popisuje novou techniku, která umožňuje komukoli 3D tisknout kostry tkáně vyrobené z kolagenu, hlavního strukturního proteinu v lidském těle. Tato jedinečná metoda posouvá pole tkáňového inženýrství o krok blíže k 3D tisku dospělého lidského srdce v plné velikosti.

Technika známá jako Freeform Reversible Embedding (FRESH) suspenzních hydrogelů umožnila vědcům překonat mnoho výzev spojených se současnými metodami 3D bioprintingu a dosáhnout nebývalého rozlišení a přesnosti pomocí měkkých, zářivých materiálů.

Každý z orgánů v lidském těle, například srdce, je vyroben ze speciálních buněk, které drží pohromadě biologické lešení zvané extracelulární matrice (ECM). Tato síť proteinů ECM poskytuje strukturu a biochemické signály, které buňky potřebují k výkonu svých normálních funkcí. Doposud však nebylo možné přestavět tuto složitou architekturu ECM pomocí tradičních metod biofabrikace.

“Ukázali jsme, že můžeme tisknout kousky srdce z buněk a kolagenu na kousky, které skutečně fungují, jako je srdeční chlopně nebo malá tepající komora,” říká Adam Feinberg, profesor biomedicínského inženýrství (BME) a ​​e-science. Materiálové inženýrství ve společnosti Carnegie Mellon, jejíž laboratoř tuto práci provádí. “Pomocí MRI dat z lidského srdce jsme byli schopni přesně reprodukovat pacientovu specifickou anatomickou strukturu a 3D bio-vytištěný kolagen a lidské srdeční buňky.”

Zatímco ve Spojených státech čeká na transplantaci srdce více než 4 000 pacientů, miliony pacientů na celém světě srdce potřebují, ale nemohou být zařazeni na čekací listinu. Potřeba náhrady orgánů je obrovská a jsou zapotřebí nové přístupy k navrhování umělých orgánů, které mohou opravit, doplnit nebo nahradit dlouhodobou funkci orgánů. Feinberg je členem Carnegie Mellon. Iniciativa orgánů bioinženýrstvípracuje na řešení těchto výzev novou generací bioinženýrských orgánů, které více replikují struktury přírodních orgánů.

„Kolagen je velmi žádaným biomateriálem pro 3D tisk, protože doslova vytváří všechny tkáně ve vašem těle,“ vysvětluje PhD Andrew Hudson. Z BME. Student ve Feinbergově laboratoři a první spoluautor článku. “3D tisk je však tak obtížný, že začíná jako tekutý; Pokud se to tedy pokusíte vytisknout na vzduchu, na vaší sestavené palubě se vytvoří kaluž vody. Proto se deformovat “.

Metoda FRESH 3D bioprinting vyvinutá v Feinbergově laboratoři umožňuje ukládání kolagenu vrstvu po vrstvě v posilovací gelové lázni, což dává kolagenu příležitost tuhnout in situ před vyjmutím z posilovací lázně. S FRESH lze podpůrný gel snadno roztavit zahřátím gelu z pokojové teploty na teplotu těla po dokončení tisku. Tímto způsobem mohou vědci odstranit podpůrný gel bez poškození tištěné struktury skládající se z kolagenu nebo buněk.

Tato metoda je pro pole 3D bioprinting opravdu vzrušující, protože umožňuje tisknout kostry kolagenu na lidské lidské orgány ve velkém měřítku. Širokou škálu dalších měkkých gelů, včetně fibrinu, alginátu a kyseliny hyaluronové, lze 3D biotisknout pomocí techniky FRESH, takže se neomezují pouze na kolagen a poskytují robustní a adaptabilní platformu pro tkáňové inženýrství. Ještě důležitější je, že vědci vyvinuli open-source designy, aby téměř každý, od lékařských laboratoří až po středoškolské kurzy přírodních věd, mohl vytvářet a přistupovat k levným a výkonným 3D biotiskárnám.

Z pohledu do budoucnosti má FRESH uplatnění v mnoha oblastech regenerativní medicíny, od opravy ran až po bioinženýrství orgánů, ale toto je jen část rostoucího pole biofabrikace. “Mluvíme opravdu o konvergenci technologií,” říká Feinberg. “Nejen to, co moje laboratoř dělá v oblasti bioprintingu, ale také další laboratoře a malé firmy v oblasti vědy o kmenových buňkách, strojového učení a počítačové simulace, stejně jako nový hardware a software pro 3D bioprinting.”

„Je důležité si uvědomit, že je ještě třeba provést výzkum,“ dodává Feinberg, „ale stále musí existovat nadšení, že ve skutečnosti děláme pokrok ve vývoji funkčních lidských tkání a orgánů, a tento článek je krokem vpřed. tak dlouho. “

Mezi dalšími přispěvateli do článku je spoluautor Andrew Lee, Ph.D. Z BME. Student ve Feinbergově laboratoři; Postgraduální výzkumník BME Dan Shiwarski; BME Ph.D. studenti Joshua Tashman, TJ Hinton, Sai Yerneni a Jacqueline Bliley; a Phil Campbell, profesor výzkumu BME.