O echipă de cercetători de la Universitatea Carnegie Mellon a publicat o lucrare în revista Science, în care detaliază o nouă tehnică care permite oricărei persoane să bioprinteze 3D schele din țesut din colagen, proteina structurală principală din corpul uman. Această primă metodă aduce domeniul ingineriei țesuturilor cu un pas mai aproape de imprimarea 3D a inimii umane adulte, de dimensiuni reale.
Tehnica, cunoscută sub denumirea de Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH), a permis cercetătorilor să depășească multe provocări privind metodele existente de bioprintare 3D și să obțină o rezoluție și o fidelitate fără precedent folosind materiale moi și vii.
Fiecare dintre organele din corpul uman, cum ar fi inima, este construit din celule specializate care sunt ținute împreună de o schelă biologică, numită matrice extracelulară (ECM). Această rețea de proteine ECM oferă structura și semnale biochimice în care celulele trebuie să își îndeplinească funcția normală. Cu toate acestea, până în prezent, nu a fost posibilă reconstruirea acestei arhitecturi complexe ECM, folosind metode tradiționale de biofabricare.
„Ceea ce am arătat este că putem imprima bucăți de inimă din celule și colagen în părți care funcționează cu adevărat, precum o valvă cardiacă sau un mic ventricul”
spune Adam Feinberg, profesor de inginerie biomedicală (BME), știința și ingineria materialelor la Carnegie Mellon, al cărui laborator a efectuat această lucrare.
„Prin utilizarea datelor RMN ale unei inimi umane, am fost capabili să reproducem cu exactitate structura anatomică specifică unui pacient și colagenul 3D bioprintat, dar și celulele inimii umane.”
Peste 4.000 de pacienți din Statele Unite așteaptă un transplant de inimă, în timp ce alte milioane de persoane din întreaga lume au nevoie de inimi, nefiind însă eligibile. Necesitatea organelor este imensă și este nevoie de noi abordări pentru ingineria organelor artificiale capabile să repare, să completeze sau să înlocuiască funcția organului pe termen lung. Feinberg, care este membru al Inițiativei Bioengineered Organs din cadrul Carnegie Mellon, lucrează la rezolvarea acestor provocări cu o nouă generație de bio-organe, care reproduce foarte asemănător structurile naturale ale organului.
„Colagenul este un biomaterial extrem de dorit pentru imprimarea 3D, deoarece alcătuiește literalmente fiecare țesut din corpul uman”
explică Andrew Hudson, doctor în BME, student în cadrul laboratorului profesorului Feinberg, dar și coautor a numeroase articole.
„Totuși, ceea ce face atât de greu să imprimăm 3D, este structura fluidă a colagenului, imprimarea în aer a acestuia fiind greu de reprodus. Așadar, am dezvoltat o tehnică care previne deformarea”.
Metoda de bioprintare FRESH 3D dezvoltată în laboratorul lui Feinberg permite depozitarea colagenului strat după strat, în baia de suport de gel, oferind colagenului o șansă de a se solidifica înainte de a fi îndepărtat din baia de sprijin. Cu FRESH, gelul de suport poate fi topit cu ușurință prin încălzirea lui de la temperatura camerei la temperatura corpului, după terminarea imprimării. În acest fel, cercetătorii pot îndepărta gelul de sprijin, fără a deteriora structura tipărită din colagen sau celule.
Această metodă este cu adevărat interesantă pentru domeniul bioprintării 3D, deoarece permite tipărirea schelelor de colagen la scară largă, pentru organele umane. Tehnica nu se limitează la colagen, existând o gamă largă de alte geluri moi incluzând fibrina, alginatul și acidul hialuronic care pot fi bioprintate 3D, folosind tehnica FRESH. Ceea ce rezultă este o platformă robustă și adaptabilă pentru ingineria țesuturilor. Cercetătorii, au dezvoltat proiecte „deschise”, la care aproape oricine, de la laboratoare medicale până la clase din liceu, pot construi și pot avea acces la bioprintare 3D, cu costuri reduse și tehnologie de înaltă performanță.
Așteptând cu nerăbdare, FRESH dezvoltă aplicații în multe arii ale medicinei regenerative, de la repararea plăgilor la bioinginerie de organe. Tehnica rezultată reprezintă doar începutul biofabricării.
„Desigur, despre care vorbim este convergența tehnologiilor”, spune Feinberg.
,,Nu doar în laboratorul în care lucrez se poate realiza această cercetare, ci și în alte laboratoare și companii mici din domeniile științei celulelor stem, învățării automate și simulării computerului, precum și a noului hardware și software 3D pentru bioprintare”.
„Este important să înțelegem că cercetarea se va realiza în continuare, pentru mulți ani de acum în colo.”, adaugă Feinberg, „dar ne menținem entuziasmul în progresele realizate în ingineria țesuturilor și organelor umane, iar această lucrare este doar începutul”.
Alți colaboratori ai lucrării sunt: coautorul Andrew Lee, doctor în BME și student în laboratorul lui Feinberg, Dan Shiwarski cercetător postdoctoral în BME, elevii Joshua Tashman, TJ Hinton, Sai Yerneni și Jacqueline Bliley și profesorul Phil Campbell de cercetare în BME .