Стволовые клетки самоорганизовались и стали материалом для 3D-биопечати

Стволовые клетки самоорганизовались и стали материалом для 3D-биопечати

Ученые разработали метод печати живых тканей на 3D-биопринтере, в котором используются стволовые клетки и одно из их важнейших свойств — самоорганизация. Как сообщается в журнале Nature Materials, помещенные в благоприятные условия стволовые клетки разных тканей самоорганизовались и сформировали ткани, которые выглядели и функционировали, как полноценные живые ткани.

Формирование тканей в живом организме зависит от межклеточных контактов и микроокружения клеток. В процессе развития и жизнедеятельности клетки формируют вокруг себя внеклеточный матрикс — часть ткани, которая служит механической опорой и посредником информации для клеток. Клетки располагаются в матриксе (соответственно, и в ткани) в характерном для каждого органа пространственном отношении. Чтобы встать в нужное место в нужное время, клетки экспрессируют сотни рецепторов и химических веществ, которые определяют характер взаимодействия клетки с соседними клетками и матриксом. Благодаря таким взаимодействиям, клетки самоорганизуются — каждая клетка знает, где ей нужно находится в ткани и что ей нужно делать.

До недавнего времени ученым не удавалось с помощью 3D-биопринтинга вырастить органоиды больших размеров (больше сантиметра), поскольку либо клетки слишком плотно прикреплялись к среде и не могли двигаться, либо сама среда не позволяла создать необходимое микроокружение. Однако Маттиас Лутольф (Matthias P. Lutolf) с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новый подход 3D-биопечати, который может решить эти проблемы. Новый метод, который, среди прочих преимуществ, позволяет микроскопически работать с клеточной массой и напрямую наблюдать за процессом печати и выращивания, использует самоорганизацию стволовых клеток, как основу для выращивания полноценных органов и тканей. Такой подход позволяет повторить естественные процессы развития тканей и органов.

Чтобы продемонстрировать потенциал и универсальность нового метода, ученые использовали стволовые клетки тонкой кишки человека. Напечатанные в линию стволовые клетки поместили на питательную среду из гидрогеля с коллагеном, которая по свойствам похожа на внеклеточный матрикс. В этой среде клетки легко перемещались и создавали вокруг себя волокнистую соединительнотканную структуру, дополнительно превращая среду в благоприятное микроокружение.

Через несколько дней клетки трансформировались в цельную и организованную эпителиальную трубку длиной от 5 до 15 миллиметров, окруженную специфическим матриксом, в которой ученые находили тканевую организацию, обнаруживаемую в классических органоидах тонкой кишки. При этом, отмечают ученые, большое влияние на формирование кишечной трубки оказывали именно питательная среда и внеклеточный матрикс, которые создавали благоприятное микроокружение для самоорганизации клеток. Примечательно, что межклеточная самоорганизация нивелировала небольшие дефекты печати (например, слипание клеток).

Также ученым удалось вырастить и эпителий тонкой кишки мыши. Сначала стволовые клетки располагались в виде линии, но уже через четыре-шесть дней, благодаря самоорганизации клеток, в этой линии появился просвет, который превратил ее в полую трубку. Спустя еще один-два дня в трубке обнаруживались характерные для эпителия тонкой кишки крипты и ворсинки, в которых ученые нашли зрелые дифференцированные энтероциты, клетки Панета (защитные клетки, которые встречаются только в тонкой кишке), бокаловидные и энтероэндокринные клетки. Вся трубка целиком реагировала на внешние раздражители — клетки Панета высвобождали бактерицидные гранулы в ответ на химическое раздражение, а все клетки набухали при действии форсколина. Эти реакции показывают, что новый метод биопечати может давать инженерные ткани с физиологическими реакциями, напоминающими таковые в живых организмах.

Кроме того, напечатанные на смеси с васкулярно-эндотелиальным фактором роста (VEGF) эндотелиальные клетки образовывали капиллярные сосуды de novo. Благодаря благоприятным условиям (VEGF, неплотная среда), образование капилляров запускалось в тканевом масштабе, что приводило к формированию сосудистой сети с непрерывным просветом.

Все эти эксперименты показывают, что специфические локальные взаимодействия, управляющие самоорганизацией небольшого клеточного блока, могут распространяться на тканевой уровень и формировать ткани разных типов: как эндотелиальные, так и ткани внутренней среды. Использование свойства самоорганизации стволовых клеток должно стать важным шагом на пути к выращиванию тканей и органов in vitro, ведь в таком случае можно будет получать функционально полноценные органы, которые можно будет использовать для трансплантации или испытания лекарств.

Недавно мы рассказывали, что другая группа ученых из этой же швейцарской школы разработала метод 3D-биопринтинга, который отличается от традиционной послойной 3D-печати тем, что модель органа создается одновременно по всему объему в один этап, что снижает время печати до нескольких десятков секунд.

Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>