Трехмерная (3D) биотрансляция — это использование 3D-печати и 3D-печатных методов для объединения клеток, факторов роста и биоматериалов для изготовления биомедицинских частей, которые максимально имитируют характеристики естественных тканей. Как правило, 3D-биотрансляция использует поэтапный метод для осаждения материалов, известных как биоиндикаторы, для создания тканеподобных структур, которые впоследствии используются в областях медицины и тканевой инженерии. Bioprinting охватывает широкий спектр биоматериалов.

В настоящее время биопреследование можно использовать для печати тканей и органов, которые помогают исследовать наркотики и таблетки. Однако возникающие новшества простираются от биотрансляции клеток или внеклеточного матрикса, осажденного в трехмерный слой геля слоем для получения желаемой ткани или органа. Недавний взрыв популярности 3D-печати является свидетельством обещания этой технологии и ее глубокой полезности в исследованиях и регенеративной медицине. Кроме того, 3D-биотрансляция начала включать печать лесов. Эти леса могут использоваться для регенерации суставов и связок.

Определение
Трехмерная биопечати — это процесс создания клеточных структур в ограниченном пространстве с использованием технологий 3D-печати, где функция ячейки и жизнеспособность сохраняются в печатной конструкции. Как правило, трехмерная биопечати использует поэтапный способ печати для внесения материалов, иногда называемых биоинкрементами, для создания структур, аналогичных естественным биологическим тканям, которые затем используются в областях медицинской техники и тканей 9. В биопечати используется широкий ассортимент материалов. В настоящее время биопечати можно использовать для печати тканей и органов, особенно для фармацевтических исследований. Первый патент, связанный с этой технологией, был подан в США в 2003 году и предоставлен в 2006 году.

Биопечати — это интерфейс многих областей: медицина, машиностроение, информатика, генная инженерия и т. Д. Биологические ткани состоят из твердых тканей, состоящих из органических и неорганических внеклеточных матриц и мягких тканей, образованных клетками. Живое клеточное вещество напечатано из стволовых клеток. Он осаждается в капельки биологических чернил, которые образуют последовательные слои и которые в наложении будут представлять собой биологическую ткань в трех измерениях. Чтобы создать биологические чернила, можно использовать стволовые клетки пациента, чтобы их можно было вырастить (для создания квадратного миллиметра ткани требуется миллионы). Стволовые клетки суспендируют в специфической среде, которая может быть модифицирована при комнатной температуре. Опора, на которой печатается ткань, представляет собой тонкий слой коллагена (самый распространенный белок в организме человека, ответственный за сцепление тканей), который можно сравнить с бумагой традиционного принтера. В дополнение к клеткам и биоматериалам биопринтер должен также включать в себя спектр биохимических веществ (то есть хемокинов, факторов роста, факторов адгезии или сигнальных белков) для обеспечения среды выживания, подвижности и дифференциации клеток.

При печати ткани путем трехмерной биопечати можно выделить несколько этапов. Эти три последовательных технологических этапа — предварительная обработка, обработка (печать) и пост-обработка:
Дизайн более или менее идентичен оригинальным тканям, а затем компьютерному дизайну модели, который будет определять, как стволовые клетки будут печататься по слоям в соответствии с характеристиками, выраженными на первом этапе. Этот шаг связан с третьим шагом, который заключается в программировании принтера через специализированное программное обеспечение, которое будет транслировать действия, которые должны выполняться на языке принтера. Эти два этапа аналогичны тем, которые должны быть выполнены для проектирования объекта с пластикового 3D-принтера.
Автоматическая печать ткани с помощью принтера, который отличается в зависимости от используемой технологии.

Двумя основными параметрами биопечати являются плотность и разрешение. Плотность клеток заключается в том, что в биологических чернилах. Если он слишком низкий, конечная фаза не будет хорошо сделана, и ткань не будет жизнеспособной. Разрешение — это точность, с которой ячейки будут помещены принтером. Если точность не является оптимальной, то предопределенная структура клеток не будет соблюдаться, и ткань не будет иметь правильную форму, что в то же время предотвратит хороший прогресс на заключительной фазе развития клеток.

Последний шаг — созревание печатных тканей. Это фаза, в которой собранные клетки будут развиваться и взаимодействовать друг с другом, образуя когерентную и жизнеспособную ткань. В процессе постпечати в биореакторе ткани подвергаются быстрому созреванию, включая развитие многоуровневой васкуляризации и иннервации, увеличивая прочность и механическую целостность тканей для трансплантации. Размещенные в инкубаторах ткани развиваются с образованием когерентной ткани. Эта фаза начинается примерно через 48 часов после печати и может длиться несколько недель в зависимости от размера ткани. С фазой созревания мы можем говорить о печати 4D, потому что размер времени после печати имеет важное значение.

Биореакторы работают, создавая среду, способствующую развитию тканей, обеспечивая конвективные питательные вещества, создавая среду микрогравитации и способствуя циркуляции раствора в клетках. Существуют различные типы биореакторов, подходящих для различных типов тканей, например, компрессионные биореакторы идеально подходят для хрящевой ткани.

технологии
Трехмерная печать для изготовления искусственных органов стала основным предметом исследования в области биологической инженерии. По мере того, как технологии изготовления 3D-печати становятся все более эффективными, их применение в синтезе искусственных органов становится более очевидным. Основными преимуществами 3D-печати являются ее массовая производственная мощность настраиваемых сложных структур, а также высокая степень получения анатомической точности. Трехмерная биопечати предлагает беспрецедентную универсальность в позиционировании клеток и биоматериалов с точным контролем над их составами, пространственными распределениями и архитектурной точностью, что позволяет детализировать или даже персонализировать реконструкцию окончательной формы, структуры, микроструктуры и архитектуры печатных тканей и органов.

По сравнению с небиологической 3D-печатью трехмерная биопечати вызывает дополнительные уровни сложности, такие как выбор материалов, тип клеток, факторы роста и дифференциации, а также технические проблемы, связанные с чувствительностью клеток. жилого и тканевого строительства.

Печатные органы, использующие трехмерную печать, могут быть выполнены с использованием различных методов, каждый из которых несет конкретные преимущества, которые могут быть адаптированы к конкретным типам производства органов.

Тканевая инженерия подход традиционного был семена клетки на матрицу эшафота т.е. твердой опорной конструкции, включающей взаимосвязанную сеть пор. Эта структура должна поддерживать форму и механические свойства синтезированной ткани и способствовать прикреплению клеток, обеспечивая субстрат для пролиферации клеток. Технология 3D-печати — это новейшая новинка, которая позволяет одновременно посеять живые клетки и создать структуру биоматериалов в слоях.

Три самых популярных технологии 3D-биопечати — технология лазерной печати, технология микроэкструзии и технология струйной печати. В дополнение к этим технологиям команда исследователей в Кембридже разрабатывает акустический принтер, где волны вибрируют биоинкремент, что приведет к выбросу капель с точностью до размера ячейки. Сегодня в Интернете вы можете найти объяснения о том, как сделать свой собственный биопринтер с офисного принтера типа HP, представленного на сайте TeVido BioDevices.

Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки для печати твердой биологической ткани и органа. Твердые ткани человеческого тела включают кости, зубы и хрящ и состоят из некоторых типов отдельных клеток и значительной доли органических и неорганических внеклеточных матриц.

Лазерная печать
Эта новейшая технология потребовала 10 лет исследований в INSERM в Бордо. Этот метод работает по принципу лазера. Лазер направляется с помощью зеркала, проходит через линзу, затем фокусируется, ударяет покровное стекло, на которое помещается пленка с биологическими чернилами. Во время взаимодействия лазер / картридж падают микрокапельки, содержащие клетки в небольших количествах на носителе с точностью до 5 микрон. Печать достаточно быстрая. Эксперименты даже показали, что он работает на мышах, благодаря впечатлению in vivo (прямо на коже живого существа). Образцы ячейки получают лазерным сканированием при 10000 импульсов в секунду, причем каждый импульс генерирует микрокапельу. Эта технология является единственной с разрешением единицы (ячейка по ячейкам) до 50 клеток на микрокапсул. Эта точность позволяет воспроизводить сложные биологические ткани в трех измерениях, таких как образцы кожи.

Лазерная печать сочетает в себе разрешение и плотность (около 108 клеток / мл биологических чернил) с несколькими преимуществами. Три из преимуществ лазерной биопечати — это более 95% жизнеспособности клеток, сокращение отходов и отсутствие механических нагрузок. Это связано с короткими импульсами, несколькими наносекундами, что сводит к минимуму нагрев клеток и снижает их «стресс». Однако жизнеспособность напечатанных тканей зависит от напряжений, оказываемых на клетки. Важно, чтобы ячейки были наименее «деградированными».

Тем не менее, некоторые факторы по-прежнему должны быть улучшены, потому что машина еще не складывает много слоев ячейки хорошо организованным способом, время подготовки является высоким и стоимость печати тоже.

струйные
Эта технология используется, в частности, в принтерах Tedivo Biodevices DIY. Именно эта технология работает в Манчестерском университете в Англии. Струйный принтер работает с печатающей головкой, которая проектирует микрокапельки жидкости, содержащей клетки (био-чернила). Выброс капель обусловлен термическим (тепловым) или пьезоэлектрическим процессом (электрическая поляризация чернил под действием механического напряжения). Чернила являются жидкостью при 20 °, но гели при температуре 36 °. Этот процесс наиболее похож на процесс 3D-пластиковых принтеров.

Эта технология является наиболее доступной и простой в использовании с минимальным временем подготовки и низкой стоимостью. Время печати низкое, а жизнеспособность ячеек превышает 85%, но разрешение плохое, что приводит к плохой разработке клеток. Кроме того, плотность также является трудным для управления параметром, она часто слишком низкая или очень низкая (около 106 клеток / мл, в 100 раз меньше, чем для лазерного принтера). Эти недостатки делают его в настоящее время непригодным для печати сложных тканей, он служит только для печати шаблонов благодаря печатаемым ячейкам.

Micro-экструзия
Микроэкструзия (также называемая биоэкструзией) является единственным методом, который стал промышленно развиваться американской компанией Organovo с его принтером Novogen MMX, разработанным совместно с Университетом Миссури и развитием в 2005 году.

Этот принтер работает с двумя печатающими головками. Один откладывает гель, а другой — клетки. Клетки вставляют в микрошприц и осаждают с помощью иглы. Слои поочередно осаждаются, слой гидрогеля (водная смесь), за которым следует слой клеток. Гидрогель используется для структурирования сборки клеточных слоев, подобно лесам. Гидрогель затем растворяется во время фазы созревания, позволяя клеткам сливаться вместе. Биоэкструзия позволяет получать высокую плотность, но со средним разрешением (от 5 мкм до нескольких миллиметров в ширину). Время подготовки среднее по сравнению с другими методами, но с более высоким временем печати (очень медленно). Стоимость этого типа принтера средняя, ​​а жизнеспособность (способность «выживать» после печати и в течение фазы созревания) составляет от 40 до 80%, этот показатель является низким по сравнению с другими технологиями, и этот аспект остается улучшен.

Гибридные методы
Сегодня эти технологии имеют ограниченные возможности, но некоторые исследователи рассматривают «гибридные принтеры». Этот метод остается на стадии тестирования, но в США исследователи смогли связать печать клеток и осаждение биоразлагаемого полимера (вещество, состоящее из молекул, характеризующихся повторением одного или нескольких атомов или групп атомов, которые могут быть естественными, синтетическими или искусственный), образующий хрящ.

Bioprinters
На рынке существуют разные биопринтеры. Цены варьируются от $ 10 000 для BioBot 1 до $ 200,000 для 3D-Bioplotter EnvisionTec. Ожидается, что биопринтер Aether 1 будет продаваться с 2017 года по цене 9 000 долларов США. На практике исследователи часто разрабатывают собственные экспериментальные биопринтеры.

Обработать
3D-биотрансляция обычно следует за тремя этапами: предварительная биопринтинг, биотрансляция и пост-биопреследование.

Pre-bioprinting
Предварительная биопроцессинг — это процесс создания модели, которую впоследствии создаст принтер и выберет материалы, которые будут использоваться. Одним из первых шагов является получение биопсии органа. Общими технологиями, используемыми для биопринтинга, являются компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Для печати с использованием поэтапного подхода томографическая реконструкция выполняется на изображениях. Теперь 2D-изображения отправляются на принтер, который должен быть сделан. После создания изображения определенные ячейки изолируются и умножаются. Эти клетки затем смешивают со специальным сжиженным материалом, который обеспечивает кислород и другие питательные вещества, чтобы поддерживать их в живых. В некоторых процессах клетки инкапсулируются в клеточные сфероиды диаметром 500 мкм. Эта агрегация клеток не требует каркаса и необходима для размещения в трубчатом синтезе ткани для таких процессов, как экструзия.

Bioprinting
На второй стадии жидкая смесь клеток, матрицы и питательных веществ, известных как биоиндикаторы, помещаются в картридж для принтера и депонируются с использованием медицинских осмотров пациентов. Когда биопринтерную пре-ткань переносят в инкубатор, эта клетка на основе клеток переходит в ткань.

3D-биотрансляция для изготовления биологических конструкций обычно включает раздачу клеток на биосовместимые каркасы с использованием последовательного поэтапного подхода для создания тканеподобных трехмерных структур. Было показано, что искусственные органы, такие как печень и почки, сделанные путем трехмерной биотрансляции, не имеют ключевых элементов, которые влияют на организм, такие как рабочие кровеносные сосуды, трубочки для сбора мочи и рост миллиардов клеток, необходимых для этих органов. Без этих компонентов организм не имеет возможности получить необходимые питательные вещества и кислород глубоко внутри своих интерьеров. Учитывая, что каждая ткань в организме, естественно, состоит из разных типов клеток, многие технологии для печати этих клеток различаются по своей способности обеспечивать стабильность и жизнеспособность клеток во время производственного процесса. Некоторые из методов, которые используются для трехмерного биотрансляции клеток, представляют собой фотолитографию, магнитное биотрансформацию, стереолитографию и прямую клеточную экструзию.

Пост-bioprinting
Процесс после биопроцессинга необходим для создания стабильной структуры из биологического материала. Если этот процесс не поддерживается, механическая целостность и функция 3D-печатного объекта находятся под угрозой. Для поддержания объекта необходимы как механические, так и химические стимуляции. Эти стимуляции посылают сигналы клеткам для контроля ремоделирования и роста тканей. Кроме того, в недавнем развитии биореакторные технологии позволили быстро созревать ткани, васкуляризировать ткани и способность выживать при трансплантации.

Биореакторы работают либо с обеспечением конвективного переноса питательных веществ, созданием условий микрогравитации, изменением давления, вызывающим раствор, протекающим через клетки, либо добавлением сжатия для динамической или статической нагрузки. Каждый тип биореактора идеально подходит для различных типов тканей, например, компрессионные биореакторы идеально подходят для хрящевой ткани.

Подход биопринтинга
Исследователи в области разработали подходы к производству живых органов, которые построены с соответствующими биологическими и механическими свойствами. 3D-биотрансляция основывается на трех основных подходах: биомимике, автономных сборках и мини-тканевых строительных блоках.

Biomimicry
Первый подход к биопринтингу называется биомимикой. Основная цель этого подхода — создать сфабрикованные структуры, которые идентичны естественной структуре, которые обнаруживаются в тканях и органах в организме человека. Биомимика требует дублирования формы, структуры и микроокружения органов и тканей. Применение биомимикрии в биопринте включает в себя создание как идентичных клеточных, так и внеклеточных частей органов. Чтобы этот подход был успешным, ткани должны быть воспроизведены в микромасштабном масштабе. Поэтому необходимо понимать микроокружение, природу биологических сил в этом микроокружении, точную организацию функциональных и поддерживающих типов клеток, факторы растворимости и состав внеклеточного матрикса.

Автономная самосборка
Второй подход биопринтинга — автономная самосборка. Этот подход основан на физическом процессе развития эмбриональных органов как модели для репликации интересующих тканей. Когда клетки находятся в раннем развитии, они создают свой собственный внеклеточный матричный строительный блок, правильную сигнализацию клеток и независимую компоновку и паттернирование для обеспечения требуемых биологических функций и микроархитектуры. Автономная самосборка требует конкретной информации о методах развития тканей и органов эмбриона. Существует «безмасляная» модель, которая использует самоорганизующиеся сфероиды, которые подвержены слиянию и расположению клеток, чтобы напоминать развивающиеся ткани. Автономная самосборка зависит от клетки как основного фактора гистогенеза, направляя строительные блоки, структурные и функциональные свойства этих тканей. Это требует более глубокого понимания того, как развиваются механизмы эмбриональных тканей, а также микроокружения, окруженного для создания биопринтерных тканей.

Мини-ткань
Третий подход биопринтинга представляет собой комбинацию как биомимикрии, так и самосборки, которая называется мини-тканями. Органы и ткани строятся из очень маленьких функциональных компонентов. Подход с мини-тканями принимает эти небольшие кусочки и производит и устраивает их в более крупные рамки.

Принтеры
Подобно обычным чернильным принтерам, у них есть три основных компонента. Это используемые аппаратные средства, тип био-чернил и материал, на котором он напечатан (биоматериалы). «Био-чернила — это материал, изготовленный из живых клеток, который ведет себя как жидкость, позволяя людям« печатать »его, чтобы создать желаемую форму. Чтобы сделать био-чернила, ученые создают суспензию клеток, которые могут быть загружены в картридж и вставлен в специально разработанный принтер вместе с другим картриджем, содержащим гель, известный как биобумага ».

При биотрансляции используются три основных типа принтеров. Это струйные, лазерные и экструзионные принтеры. Струйные принтеры в основном используются для биотрансляции для быстрой и крупномасштабной продукции. Один тип струйного принтера, называемый струйным принтером по требованию, печатает материалы в точном количестве, сводя к минимуму затраты и отходы. Принтеры, использующие лазеры, обеспечивают печать с высоким разрешением; однако эти принтеры часто дорогие. Экструзионные принтеры печатают ячейки поэтапно, подобно 3D-печати для создания 3D-конструкций. В дополнение к просто клеткам, экструзионные принтеры могут также использовать гидрогели, наполненные клетками.

заявка
В последние десятилетия в области регенеративной медицины достигнут значительный прогресс в ее способности производить функциональные заменители биологических тканей. Хотя более десяти лет живые клетки и биоматериалы (как правило, гидрогели) были напечатаны посредством биопечати, 29 обычных подходов, основанных на внеклеточных матрицах и микроинженерии, по-прежнему ограничены в их способности производить ткани с точными биомиметическими свойствами.

В 2013 году «Органово» создала печень человека с помощью методов биопечати. Однако организм не был пригодным для трансплантации и в основном использовался в качестве средства скрининга на лекарства 30.

Использование биопечати в 2017 году
Bioprinting уже позволяет создавать живые структуры. Клеточное живое вещество напечатано во многих лабораториях по всему миру, клеточные ткани жизнеспособны, а биопечати не влияет на дифференциацию клеток. Некоторые из технологий были применены в лечении с некоторым успехом. Трехмерная биопечати уже используется для производства и трансплантации нескольких тканей, включая многослойную кожу, кости, сосудистые трансплантаты, протезы трахеи, сердечные ткани и хрящевые структуры.

Печать сложных органов является предметом интенсивных исследований во всем мире. Например, для сердца, поджелудочной железы, печени или почек. Начиная с 2017 года, это исследование еще не привело к трансплантации.

В мае 2017 года исследователи использовали биоимпрессию для создания мышечных яичников. Стерильные мыши, имплантированные искусственным яичником, были способны овулировать, доставлять и кормить нормально здоровых мышей-младенцев. Исследование является первым, кто достиг такого результата с помощью трехмерной печати.

Текущие достижения для кожи.
Исследователям удалось распечатать различные структуры и типы клеток: многослойные кератиноциты (клетки поверхностного слоя кожи и поверхностные ростки тела: гвозди, волосы, волосы) и коллаген.

В 2010 году лаборатории Бордо удалось распечатать костные клетки (обновить и укрепить костную ткань) непосредственно на черепе живой мыши с небольшой дырой. В случае печати непосредственно на пациента мы говорим о печати in vivo. Исследователи использовали тот же принцип для печати костной части и части кожи путем удаления мезенхимальных клеток, напечатанных позже. Мезенхимные клетки могут продуцировать несколько типов клеток, относящихся к скелетным тканям, таким как хрящ, кость и жир. Они встречаются в мезенхиме эмбриона и в очень малых количествах у взрослого человека. ДокторФабиен Гиллемот прокомментировал первые тесты на мышах: «Полученные результаты очень убедительные. Печатные клетки сохранили все свои функции и умножились до двух месяцев после печати. ​​Первые предметы показали признаки заживления. Тот же результат для Ганноверского лазерного центра в Германия: ткань ремонтирует рану животного без какого-либо отклонения.

Американская компания Organovo продает образцы кожи для медицинских исследований. Эти функциональные органические ткани используются фармацевтическими компаниями для проверки эффектов лечения и их воздействия на болезни. Компания также печатает модели пораженной ткани, чтобы лучше понять болезни и их эволюцию. Целью является также проверка эффективности молекул лекарственных средств и снижение стоимости клинических испытаний. Большие косметические группы также используют образцы для оценки токсичности ухода перед маркетингом и для поиска альтернативы тестированию на животных, который был запрещен в Европе с 2013 года.

Текущие достижения для жизненно важных органов
Для преодоления проблемы васкуляризации печатных тканей были разработаны новые методы. Один метод фактически печатает, например, мягкие ткани, содержащие коллаген и другие биологические волокна в держателе гидрогеля. Затем отпечатанную ткань извлекают путем плавления носителя без повреждения клеток и структуры. Следуя этому принципу, модели бедра, коронарных артерий, кровеносных сосудов и сердца эмбрионов уже успешно напечатаны. Эти клеточные ткани необходимы для кислородотерапии органов, но еще не испытаны на людях и не позволяют полной васкуляризации таких органов, как печень, легкие или сердце.

Благодаря достижениям в области сосудистой системы, теперь можно создавать миниатюрные органы. Например, Органово экспериментирует с печатью различных типов сложных тканей, таких как кусочки легких и сердечной мышцы. Ей удалось сделать кусочек почки (шириной 1 мм на ширину 4 мм), которая выдержала 5 дней из лаборатории. Они также создали восстановленную печень человека, которая оставалась функциональной в течение 40 дней. Этот образец печени (толщиной 3 мм 2 на 0,5 мм) способен продуцировать ферменты, белки и холестерин. Это умножается на срок службы органа через обмены, которые могли произойти. Аналогичным образом, китайские исследователи разрабатывают почки, срок службы которых в настоящее время ограничен 4 месяцами.

«Нам нужно продолжать исследования и собирать больше информации, но тот факт, что ткань ведет себя так же, как печень, говорит о том, что она будет продолжать вести себя как таковая, когда ее начнут тестировать с помощью лекарств», — говорит Кейт Мерфи, генеральный директор Organovo. недавно коммерциализирует ткань печени, которая остается функциональной в течение по меньшей мере 42 дней. Эти образцы органов предназначены для медицинских исследований. Но на сегодняшний день ни одна из этих частей еще не интегрирована с живыми организмами.

В октябре 2016 года исследователи из Гарварда опубликовали первое в мире микросхем с интегрированными датчиками. Устройство, которое представляет собой микрофизиологическую систему, имитирует поведение тканей человека. Это завершение — самый сложный орган на кристалле, в том числе по сравнению с легкими, языками и внутричиповыми кишечниками, которые также выпускаются этой командой. Разработка этого биографического органа на кристалле может снизить зависимость медицинских исследований от тестирования на животных.

Другие органы
Исследователи из Университета Кембриджа, Англия, объявили о своей способности воссоздавать нервные клетки в сетчатке крысы через биопринтер. Принтер способен связывать картриджи ганглиозных элементов и картриджи с глиальными ячейками из стволовых клеток крысы. Эта трансплантация позволила животному восстановить значительную остроту зрения, одновременно устраняя риск отторжения. И в апреле 2013 года ученые из Принстонского университета создали впечатление бионического уха: он сочетает в себе органические клетки и наночастицы с антенной, сформированной в хряще. Полученное таким образом ухо слышит, что радиочастоты неразборчивы с естественным человеческим ухом.

Ученые Колумбийского университета работают над созданием биопечатаемых зубов и суставов. Эта команда, например, имплантировала кусочек, созданный из трехмерной структуры, напечатанной в челюсти крысы. Через два месяца имплантат позволил росту связок, которые поддерживают новообразованные зубы и кости. Исследовательская группа также имплантировала биографические бедра на кроликах, которые через несколько недель начали ходить с новыми суставами.

проблемы
Несмотря на прорыв в производстве печатных органов, клиническая реализация, особенно в отношении сложных органов, требует дальнейших исследований и разработок. Пролиферация клеток, требуемая для биологической печати, проводится в искусственной и контролируемой среде, в которой отсутствуют маркеры и естественные биологические процессы. Отсутствие этих свойств часто препятствует развитию соответствующей морфологии и дифференциации клеток. Когда они присутствуют, эти условия позволят напечатанному органу более точно имитировать условия in vivo и принять структуру и адекватное функционирование, противоречащее биологическому росту, задуманному как простой эшафот, образованный из клеток 34. Некоторые из технических проблем, которые должны быть решены:

Васкуляризация: хотя можно создать основные клеточные ткани, такие как кожа 35, например, невозможно создать сложные органы. Действительно, ученые не могут воссоздать кровеносные сосуды, такие как капилляры, потому что они длинные, тонкие и трубчатые, а точность принтеров слишком низкая. Поэтому впечатление от какого-либо органа невозможно, потому что клетки не будут питаться кислородом и глюкозой и будут умирать очень быстро. Кроме того, клеточная ткань кожи, отпечатанная до сих пор, не является васкуляризированной и поэтому не подходит для прививки. Клеточные ткани должны быть васкуляризованы, как только их толщина превышает 400 микрон.
Нервная система: нервная система представляет большую сложность. Без нервов созданные мышцы не могут быть использованы и не могут быть привиты.
Плюрипотентные клетки: для биопечати требуется большое количество плюрипотентных клеток.
Время выживания печатных ячеек: на данный момент печатные ткани не живут очень долго, потому что они не находятся в их естественной среде. Например, компании «Органово» удалось напечатать миниатюрную почку 4 мм на 1 мм, но она оставалась живой только 5 дней.
Цена: стоимость высококачественных функциональных биологических принтеров остается очень дорогостоящей, поэтому их вряд ли можно будет приобрести в небольших исследовательских лабораториях или больницах. Действительно, биологический принтер стоит несколько сотен тысяч евро.
Комплексная организация органов: например, почка состоит из миллиона нефронов, которые обеспечивают фильтрацию крови и производство мочи. Каждый нефрон состоит из нескольких субъединиц, таких как сами клубочки, состоящие из четырех типов клеток … Эта организация очень сложна для печати по слоям.
Тяжесть: даже с помощью самой известной биологической техники для печати ученые вынуждены печатать ткани слоем из-за силы тяжести, что значительно усложняет образование крупных тел, которые разрушатся под их собственным весом и деформируют молекулярные структуры.
Научные знания: Это, вероятно, самое большое препятствие для разработки и печати сложных органов. Отсутствие глобальных знаний о человеческом теле ощущается в нескольких областях, таких как нервная система или морфогенез тела.

Недавние улучшения

васкуляризация
В апреле 2017 года исследовательская группа из Калифорнийского университета смогла создать васкуляризированную ткань со сложными трехмерными микроархитектурами, используя так называемый метод биопечати «Микроскопический непрерывный оптический биопреследование» (μCOB). Имплантация in vivo печатных тканей продемонстрировала выживаемость и прогрессирующее формирование эндотелиальной сети в предваскуляризированной ткани.

Строгость
Ученые вынуждены печатать клеточные органы и ткани в последовательных слоях клеток из-за силы тяжести. Согласно им, если один печатает органы в псевдо-состоянии невесомости, например, с помощью магнитного поля, клетки могут быть размещены правильно и без деформации.

Профессор Владимир Миронов и его команда исследователей достигли договоренностей о проведении испытаний на борту Международной космической станции.

Чтобы противостоять этому явлению тяготения, команде профессора Адама Фейнбергона была идея поместить клетки в куб Hydrogel (на водной студенистой кубике). Выделенные таким образом клетки остаются в суспензии в гидрогеле, что дает им время для создания достаточного количества клеточных соединений, так что созданный орган не деформируется. Гель плавится в воде при температуре тела (37 ° C). Как только соединения установлены, достаточно окунуть куб гидрогеля в воду при 37 ° С для восстановления неповрежденного сформированного органа.

Комплексная организация
Под руководством Фабьена Гиллемота команда исследователей INSERM Bordeaux стремится воссоздать функциональную почку. Для этого они решили не печатать его по слоям, а по частям [необходима точность].Действительно, сложная организация почки, которая делает невозможным печать по слоям, команда INSERM сначала хочет создавать клубочки, которые затем могут быть собраны для создания нефронов, которые собираются для создания функциональной почки.

Плюрепотентные клетки
В 2012 году японский исследователь Шиня Яманака успешно создал функциональные плюрипотентные стволовые клетки из дифференцированных клеток, таких как клетки кожи. Действительно, после 7 лет исследований и испытаний на мышах японский исследователь обнаружил, что, беря гены, которые кодируют недифференцирование плюрипотентных стволовых клеток и помешает их в генетический состав дифференцированной клетки, это последнее становится плюрипотентным. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по медицине. В результате можно создать культуру плюрипотентных стволовых клеток, специфичную для индивидуума, даже без образца костного мозга.

Эти дифференцированные клетки, перепрограммированные в стволовых клетках, обозначают как клетки iPS английских индуцированных плюрипотентных стволовых клеток или плюрипотентных стволовых клеток, индуцированных на французском языке.