Исследователи из Университета Сычуаня провели первую в мире неинвазивную 3D-печать искусственного органа — то есть воссоздали трехмерную структуру органа прямо под кожей модельного животного, без необходимости проводить операцию по имплантации.
Органом оказалась миниатюрная копия человеческого уха размером всего в полсантиметра. Практического применения у этого конкретного «мини-уха», конечно, не было. Главное: ученым удалось доказать, что это в принципе возможно. Технология потребовала применения последних разработок нанохимии и показало современное состояние регенеративной медицины и трехмерной печати.
Прежде чем рассказать о новой технологии, следует подчеркнуть, что проблема, которую китайские инженеры попытались с ее помощью решить, вполне реальная и довольно острая. Примерно один из 2-10 тысяч человек в мире рождается с недоразвитой ушной раковиной — это состояние называется микротией.
«Печать сквозь кожу» стала возможной благодаря инфракрасным лазерам, микроскопическим зеркалам и особым наночастицам, светящимся ультрафиолетом.
Главная сложность, с которой столкнулись ученые, и которую им все-таки удалось впервые решить, заключается в непрозрачности кожи для обычного видимого света. До сих пор с ней сталкивались не специалисты по регенеративной медицине, а прежде всего нейробиологи. Невозможность увидеть свечение нейронов сквозь кожу, неспособность послать им световой сигнал сквозь череп, — все это сильно осложняет большинство современных экспериментов на мозге и вынуждает ученых имплантировать животным оптические волокна.
Такие интерфейсы, конечно, сковывают движения, меняют поведение животных и чреваты воспалением, инфекцией и другими проблемами. Но с момента изобретения оптогенетики — возбуждения нейронов воздействием света — и до сих пор ученым приходится доставлять свет в мозг только инвазивным путем. И лишь недавно стали появляться попытки избавится от такой зависимости с помощью создания особо светочувствительных белков, возбуждение которых становится возможным прямо сквозь кожу и череп, без каких-либо «проводов».
При попытке провести неинвазивную трехмерную печать сквозь кожу китайские ученые столкнулись с той же проблемой: хотя в лабораториях печать светом хорошо изучена и широко применяется, доставить этот свет под кожу модельному животному оказывается очень сложным. Тем более это сложно потому, что световая 3D-печать требует не любого, а именно коротковолнового, ультрафиолетового излучения, а оно поглощается биологическими тканями особенно сильно.
Решить эту проблему удалось следующим образом. Ученые проникали сквозь кожу с помощью инфракрасного излучения, которое проходит сквозь ткани лучше всего, а ультрафиолет, необходимый для, собственно, «печати», получали уже внутри, на месте. Его добывали с помощью специальных наночастиц, способных накапливать и переизлучать электромагнитную энергию.
Эта часть экперимента стала возможной благодаря недавно опубликованной технологии российских исследователей из Института кристаллографии РАН, показавших, как именно конверсию излучения на наночастицах можно эффективно применить для трехмерной печати.
Вкратце, метод работает следующим образом: животному проводят инъекцию под кожу материала для трехмерной печати, состоящего из модифицированного желатина в жидком, неполимеризованном виде, а также специально выращенных хрящевых клеток и наночастиц, выступающих в роли инициатора реакции. Затем на то место, где требуется создать новый орган, слой за слоем проецируется его изображение. Здесь использовался инфракрасный лазер и DLP-проектор на основе микроскопических зеркал — точно такие же используются в обычных бытовых видеопроекторах.
Таким образом, после одной инъекции и небольшого лазерного облучения под кожей животных без каких-либо надрезов формировалась трехмерная структура из межклеточного вещества, заполненная характерными для хрящевой ткани клетками — хондроцитами. Последующие наблюдения показали, что искусственное ухо под кожей мышей «чувствовало» себя хорошо и вообще мало чем отличалось от обычного природного хряща. Кроме того, ученые провели дополнительный эксперимент, в котором вместо клеток хряща использовали мышечные клетки, полученные из стволовых и схожим образом восстановили небольшой фрагмент мышцы.
Как и предыдущие эксперименты, новая технология «печати под кожей» очень похожа своим конечным результатом, но интересна не им, а прежде всего своим подходом. Найдет ли неинвазивная печать свое применение в регенеративное медицине станет понятно только после более обстоятельных и практически-ориентированных экспериментах, в том числе на людях. Однако уже сейчас можно сказать, что наиболее понятным и близким применением для этой технологии может стать эстетическая хирургия, где чем меньше разрезов, тем лучше.
