Российские ученые из Сеченовского университета разработали биопринтер для печати эквивалента кожи, который можно будет применять для лечения плохо заживающих ран, например трофических язв при диабете. Прибор использует биочернила из гидрогеля и клеток самого пациента. Технология может быть перспективной для устранения раневых дефектов и ожогов, однако необходимы дальнейшие испытания, считают опрошенные «Известиями» эксперты. В ближайшее время разработку планируют протестировать на мини-пигах.
Зачем печатать кожу на принтере
В Клинике кожных и венерических болезней им. В.А. Рахманова, Институте регенеративной медицины и Дизайн-центре гибкой биоэлектроники Сеченовского университета разработали портативный биопринтер «Биоган» для биопечати тканевого эквивалента кожи, который будет эффективен для лечения незаживающих или плохо заживающих язв, в том числе диабетической природы. Для тестирования системы ученые планируют провести эксперимент на мини-пигах в лаборатории регенеративной ветеринарии Сеченовского университета.
— 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 «Известиям» заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Сеченовского университета, руководитель проекта Анастасия Шпичка.
Для создания комбинированных биочернил используют гидрогель со сфероидами — агрегатами клеток, которые используются в качестве строительных блоков, а также внеклеточные везикулы, обладающие выраженным прорегенеративным и противовоспалительным потенциалом. В составе таких чернил клетки обмениваются различными сигнальными молекулами и развиваются как в естественной ткани.
Благодаря особым свойствам гидрогеля и внеклеточных везикул сфероиды эффективно заполняют раневую поверхность.
Это также должно помочь людям с гангренозной пиодермией, сказала участник проекта, ассистент кафедры кожных и венерических болезней им. В.А. Рахманова Екатерина Грекова.
— В Сеченовском университете уже разработали свой метод лечения этого заболевания, в основе которого лежит метод иммуносупрессии и используются кортикостероидные препараты, но это будет новый шаг в помощи таким пациентам, — отметила она.
Как работают биочернила
Младший научный сотрудник Дизайн-центра гибкой биоэлектроники Дмитрий Ларионов объяснил, что созданное устройство будет представлять собой аппаратный комплекс, который используется для транспортировки, нанесения и облучения биочернил.
Сами биочернила состоят из двух основных компонентов, которые хранятся в отдельных картриджах. Первый из них содержит гидрогель, созданный на основе желатина. В гидрогель добавлены клетки самого пациента, а также внеклеточные везикулы, которые способствуют заживлению. Такие «краски» изготавливают непосредственно перед проведением операции. Во втором — сшивающие агенты, которые ускоряют процесс затвердевания гидрогеля.
— Принцип действия биочернил напоминает работу двухкомпонентного клея. При смешивании составляющих биочернил происходит химическая реакция, в результате которой молекулы компонентов соединяются и образуют прочную гелеобразную структуру, — сказал Дмитрий Ларионов.
Однако еще требуются определенные условия внешней среды для доставки клеток — чтобы они не деградировали во время транспортировки, нужно поддерживать постоянную температуру.
— Сейчас мы разрабатываем систему климат-контроля, которая позволит, с одной стороны, сохранять нужную температуру биочернил при транспортировке, а с другой — охлаждать их непосредственно перед нанесением на пораженный участок кожи для достижения оптимальных физико-механических свойств гидрогеля, чтобы он не был слишком жидким или, наоборот, густым, — пояснил ученый.
Также для оптимальной работы биочернил, направленной на регенерацию тканей, необходимо обеспечить равномерное распределение составляющих двух компонентов в конечном объеме смеси, чтобы не было областей, где клетки находятся вне питательной среды.
Ученые разработали прототип ручного биопринтера. Чтобы подавать компоненты, они создали высокоточную систему независимой подачи биочернил, которая напоминает медицинские инъекторы. А для смешивания компонентов сделали миксеры, которые позволяют равномерно перемешивать компоненты перед нанесением на рану. После нанесения гидрогель подвергается облучению ультрафиолетом, чтобы он затвердел и не стек с раны. Затем используется инфракрасное излучение для стимуляции роста клеток. Для этой цели команда ученых планирует создать оптическую систему излучения, которая обеспечит точную и эффективную фотобиомодуляцию клеток.
Перспективная биопечать
Для тестирования гидрогеля ученые планируют провести эксперимент на мини-пигах в лаборатории регенеративной ветеринарии.
3D-биопечать — фронтирное направление тканевой инженерии и регенеративной медицины, которое активно развивается в последние несколько лет. Появляются новые, усовершенствованные модели биопринтеров, инновационные материалы для биопечати — гидрогели и биочернила, применяемые для создания тканей и органов, сказал ведущий научный сотрудник ЦК НТИ «Бионическая инженерия в медицине» на базе СамГМУ Денис Алексеев.
— Закрытие раневых дефектов, тем более обширных, на фоне сопутствующих заболеваний, таких как сахарный диабет или гангренозная пиодермия, может стать новой и эффективной точкой приложения биопечати. Применение данной технологии у ожоговых пациентов уже активно изучается. При этом кожу создают из биоматериалов в гидрогелевой форме и живых собственных клеток пациента. При этом первые обеспечивают функцию носителя клеток и оптимальной среды для них, а вторые восстанавливают ткань, способствуя заживлению дефекта. Этот подход используется для создания биочернил в ведущих центрах, занимающихся вопросами биопечати и регенеративной медицины, — сказал он.
В целом работы по биопечати кожи и кожных эквивалентов крайне актуальны — многие центры в мире этим занимаются, отметил руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан Альберт Ризванов. Поэтому ученым из Сеченовского университета во многом нужно пристально следить за разработками лидеров в этом направлении в мире.
Исследование проводят при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда. Сейчас уже есть прототип биопринтера, и скоро будет представлен конечный продукт, добавила директор Клиники кожных и венерических болезней им. В.А. Рахманова, член-корреспондент РАН Ольга Олисова.