Биопринтер и созданные с его помощью барабанную перепонку и кожу-на-чипе представили на экспозиции РНФ в рамках Международного фестиваля науки
На экспозиции Российского научного фонда были представлены разработки, поддержанные Фондом. Одними из экспонатов стали результаты работы Сеченовского университета: портативный биопринтер «Биоган» и напечатанные на биопринтере барабанная перепонка и кожа-на-чипе.
Портативный биопринтер
Портативный биопринтер «Биоган» создан для заживления ран. Устройство и чернила к нему разработала команда инженеров, материаловедов, биологов и врачей-дерматологов из Сеченовского Университета. В этом году исследователи провели успешные испытания устройства на свиньях и готовятся к следующим этапам исследований, в том числе на людях.
Для создания комбинированных биочернил используют гидрогель со сфероидами – агрегатами, «шариками» из клеток, которые применяются в качестве строительных блоков, а также внеклеточные везикулы (пузырьки), которые способствуют заживлению. В составе таких чернил клетки обмениваются сигнальными молекулами и развиваются, как в естественной ткани.
Такую смесь из сфероидов и гидрогеля загружают в «пистолет». В один картридж помещают гидрогель, созданный на основе фибрина. В него добавлены клетки самого пациента, а также внеклеточные везикулы. Во втором картридже находятся вещества, которые обеспечивают процесс затвердевания гидрогеля. Принцип действия напоминает работу двухкомпонентного клея.
После нанесения гидрогель облучают ультрафиолетом, чтобы он «зафиксировался» на раневой поверхности, затем – инфракрасном излучением для стимуляции клеток.
Биочернила способствуют снижению воспаления, активируют рост новых сосудов и стимулируют клетки кожи к делению. Использование биочернил снижает риск осложнений, а портативность устройства позволяет применять его непосредственно при хирургических вмешательствах и в ходе терапевтических манипуляций, даже у постели пациента.
При проведении доклинических экспериментов на свиньях (минипигах) ученые показали, что применение такого «пистолета» обеспечивает эффективное восстановление тканей. Следующим этапом станут клинические испытания на людях.
«Цель проекта — создать подход к восстановлению сложноорганизованных комплексов тканей. Это комплексная задача, для решения которой наша команда разработала комбинированные биочернила, портативный биопринтер «Биоган» и фотобиомодулятор для воздействия на ткани низкоинтенсивным излучением в красном и ближнем инфракрасном диапазоне, чтобы ускорить процессы регенерации», — рассказала Анастасия Шпичка, кандидат биологических наук, доцент, заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Сеченовского Университета, руководитель поддержанного РНФ проекта.
Барабанная перепонка
Барабанная перепонка создана с помощью 3D-биопринтера. При поддержке Российского научного фонда над ней работал коллектив, состоящий из инженеров, биологов и врачей-отоларингологов Сеченовского Университета под руководством доктора медицинских наук, директора Клиники болезней уха, горла и носа Валерия Свистушкина. Уже в этом году планируется впервые имплантировать ее пациенту, страдающему хронической перфорацией.
Хроническая перфорация – отверстие в барабанной перепонке, которое длительно не заживает. Причиной перфорации могут стать как травмы, так и последствия инфекционных заболеваний, включая хронический гнойный средний отит, от которого страдают миллионы людей во всем мире. Сегодня проблема решается хирургическим путем, но часто требуется повторное вмешательство. Кроме того, наиболее часто используемые ткани не предназначены для проведения звука, и поэтому успех операции сложно предсказать.
Для создания барабанной перепонки выделяют клетки пациента, формируют из них сфероиды (шарообразные структуры из клеток) и печатают ими в составе биочернил с помощью биопринтера на коллагеновую мембрану.
В биочернилах заключены биологически активные вещества: факторы роста, интерлейкины и противовоспалительные факторы, которые регулируют процесс заживления, чтобы предотвратить образование рубца.
«Наши эквиваленты барабанной перепонки состоят из нескольких частей. Первая — коллагеновая мембрана, которая используется как подложка для печати. Вторая — биочернила, с помощью которых мы печатаем эквиваленты на 3D-биопринтере. В состав чернил входят желатин и фибрин, а также клеточный компонент, в частности сфероиды из мезенхимных стромальных клеток человека», — пояснила Полина Бикмулина, руководитель Дизайн-центра «Биофабрика» Института регенеративной медицины Сеченовского университета.
Процедура имплантации менее травматична и проходит быстрее обычной операции.
Имплант модулирует процесс регенерации барабанной перепонки, который длится около месяца. Коллагеновая подложка постепенно рассасывается, а сфероиды стимулируют восстановительные процессы, в результате происходит замещение новой тканью.
Такая перепонка не только воспроизводит структуру тканей человека, но и обеспечивает работу органа: вибрирует под действием звука так же, как в здоровом ухе.
Кожа-на-чипе
Определить влияние лекарств и косметики можно с использованием не только животных и клеточных культур, но и особых устройств, таких как кожа-на-чипе. Команда ученых Института регенеративной медицины Сеченовского Университета разработала чип, который содержит живущие на коже микроорганизмы. В будущем применение этой разработки позволит сократить расходы на проведение доклинических испытаний новых препаратов и повысить точность анализа их безопасности и эффективности.
Множество людей болеет различными заболеваниями кожи, но до практики доходит лишь небольшое число препаратов, что связывают с отсутствием адекватного способа их тестирования. Так, в текущих моделях не воссоздается микробиом кожи – сообщество бактерий, вирусов и грибов.
Чтобы сформировать модель, максимально приближенную к реальности, ученые Сеченовского Университета создали прототип «кожи-на-чипе». Разработанное устройство состоит из микрофлюидной камеры, слоя кожи, напечатанного клетками человека с использованием 3D-биопринтера, и сообщества микроорганизмов – представителей нормальной микрофлоры кожи.
Основой модели послужила коллагеновая мембрана, заселенная кератиноцитами – самыми многочисленными клетками эпидермиса (верхнего слоя кожи), и фибробластами – основными клетками дермы (среднего слоя кожи). На верхней ее части обитают характерные для микробиома бактерии. Мембрана располагается в микрофлюидном чипе, который обеспечивает клетки и бактерии необходимыми питательными веществами. С самого начала «кожа» и микробиом выращиваются в лаборатории вместе, образуя единую систему.
«В дальнейшем модель можно будет использовать не только для тестирования препаратов, но и для изучения механизмов развития кожных заболеваний, например акне. Бактериальный консорциум играет в патогенезе важную роль, и модель позволит выяснить, какие бактерии более важны, какие менее и как они взаимодействуют между собой, чтобы поддерживать здоровый микробиом», — отметила Полина Бикмулина, руководитель Дизайн-центра «Биофабрика» Института регенеративной медицины Сеченовского университета, руководитель поддержанного РНФ проекта.
Также исследователи разработали так называемую «печень-на-чипе». Конструкт состоит из двух компонентов – гидрогелевой системы и органоидов. В качестве основы биочернил использовали гидрогель на основе внеклеточного матрикса печени, сохраняющий состав и структуру белков нативного органа. Второй компонент – органоиды – структурные единицы формируемой печени, способные к росту и самоорганизации. В их основе – три типа клеток: гепатоциты (клетки паренхимы печени), а также мезенхимные стромальные и эндотелиальные клетки, которые необходимы для поддержания гепатоцитов и формирования кровеносных сосудов.
В долгосрочной перспективе возможно использование разработанной технологии формирования биоэквивалента печени для создания органов для трансплантации людям.
«Сегодня проведение доклинических исследований на лабораторных животных – необходимый этап при создании новых лекарств, – объяснила доцент, заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Анастасия Шпичка. – Но с точки зрения гуманного к ним отношения во всем мире стараются активно развивать направления, связанные с разработкой систем типа “орган-на-чипе”».
Источник: Пресс-служба РНФ