Исследователи из Гарвардского университета совершили важный прорыв в области персонализированной медицины, разработав методику 3D-печати биочипов с тканями реальных органов человека и встроенными датчиками.
Технология выращивания тканей на кристалле со временем позволит воспроизводить наследственные заболевания человека в лабораторных условиях с воссозданием клеток конкретного пациента. На искусственно выращенных тканях можно будет испытывать различные методы лечения, чтобы выбрать наиболее действенный.
Исследование было проведено учеными Гарвардской школы инженерного проектирования и прикладных наук и Института биотехнологий им. Виза. Доклад о результатах опубликован в журнале Nature Materials.
«Мы раздвигаем горизонты трехмерной биопечати, разрабатывая и объединяя различные функциональные материалы в распечатываемых моделях, — заявил Дженнифер Льюис, профессор биотехнологий Гарвардского института. — Данное исследование продемонстрировало, какие впечатляющие возможности открывают биочипы для скрининга лекарственных средств и моделирования заболеваний».
Ученые Гарварда уже имеют опыт создания чипов с распечатываемыми на 3D-принтере живыми тканями. В ходе нового исследования разработан способ снабжения биочипа датчиками, позволяющими регистрировать информацию сразу от нескольких биологических образцов на протяжении длительного времени, объясняет Йохан Ульрик Линд, ведущий автор доклада.
«С помощью датчиков мы получаем сведения о силе сердцебиения и частоте сокращений, — говорит он. — По этой информации мы можем судить о том, как ткань реагирует на лекарства и токсины. Учитывая, что в рамках фармацевтических исследований могут тестироваться тысячи вариантов химического соединения, наша разработка стала важным шагом вперед по сравнению с предыдущими изысканиями».
Методы лечения тестируются в процессе клинических исследований, которые могут длиться годы, порой на испытания всего одного лекарственного средства затрачиваются миллиарды долларов, объясняют в Институте Виза.
При таких испытаниях гибнут тысячи подопытных животных, причем зачастую реальный отклик человеческого организма на терапию воспроизвести так и не удается из-за существенных различий патофизиологии человека и животных.
В рамках предыдущих исследований ученые Гарварда создали микрочипы, воспроизводящие микроструктуру и функции органов человека — легких, кишечника, почек, кожи и костного мозга. Эти «органы на кристалле» выполнены из эластичного полимера, а по размерам такой биочип примерно с флеш-накопитель. Ткани в биочипе питаются через сеть искусственных кровеносных сосудов, стенки которых выложены живыми клетками. С помощью механических приспособлений воспроизводятся процессы, происходящие в живых органах, например сокращения легких при дыхании и перистальтика кишечника.
Исследователи могут взять клетки кожи у человека, страдающего сердечно-сосудистым заболеванием, и превратить их в стволовые клетки, а те в свою очередь — в кардиомиоциты, объясняет Линд. Полученные клетки сердечной ткани в точности воспроизводят генетический профиль пациента.
«Изготовив 'сердце на кристалле' из таких клеток, мы можем проверять на нем те варианты лечения, которые могли бы подойти конкретному пациенту, — продолжает Линд. — Может быть, это покажется научной фантастикой, но у нас уже есть реальный опыт выбора терапии с помощью таких микрочипов».
В рамках нового исследования разработан процесс быстрого автоматизированного изготовления «сердца на кристалле» методом 3D-печати с использованием собственных клеток пациентов. Такой чип позволяет собирать достоверные данные при проведении краткосрочных и долговременных исследований, отмечают ученые.
«Поскольку устройство целиком изготавливается на 3D-принтере, конструкцию можно легко менять, например когда нужна адаптация для конкретного источника клеток, — говорит Линд. — В будущем мы сможем варьировать чипы, приспосабливая их для сердечной ткани, полученной из индуцированных стволовых клеток конкретного пациента. Наш метод программируемого выращивания органов на кристалле позволяет не только легко менять конструкцию системы, добавляя различные датчики, но и кардинально упрощает получение данных».
Не только ученые Института Виза занимаются методиками тестирования лекарств с использованием 3D-биопечати. Похожая технология разработана в компании Organovo — там в 2014 году изготовили первый биочип, воспроизводящий человеческую печень. В Organovo также распечатывают человеческую кожу для пересадки, беря за основу клетки конкретных пациентов. Исследователями из компании MaRS Innovations и Университета Торонто в 2014 году был создан коммерческий биопринтер для изготовления человеческой кожи.