Nanoinginerii de la Universitatea California din San Diego, au reusit sa imprime 3D o retea realista, functionala de vase de sange, care ar putea deschide calea catre crearea de organe artificiale si dezvoltarea de terapii de regenerare.

Noua cercetare condusa de profesorul in nanoinginerie Shaochen Chen abordeaza una dintre cele mai mari provocari in ingineria tesuturilor: crearea de tesuturi si organe realiste cu vascularizatie functionala – retele de vase de sange care pot transporta sange, nutrienti, reziduuri si alte materiale biologice – acest lucru facandu-se in conditii de maxima siguranta atunci cand acestea sunt implantate in interiorul corpului.

Cercetatorii de la alte laboratoare au folosit tehnologii diferite de imprimare 3D pentru crearea vaselor de sange artificiale. Dar tehnologiile existente sunt lente, costisitoare si in principal produc structuri simple, cum ar fi un singur vas de sange – un tub, practic. Aceste vase de sange nu sunt capabile sa se integreze in sistemul vascular propriu al organismului.

„Aproape toate tesuturile si organele au nevoie de vase de sange pentru a supravietui si de a functiona in mod corespunzator. Aceasta este o piedica mare pentru transplanturile de organe, care sunt la mare cerere, insa numarul de organe disponibile este mic“, a declarat Chen, care conduce Laboratorul de Nanobiomateriale, Bioprintare si Ingineria Tesuturilor, de la Universitatea California din San Diego. „Organele create prin bioimprimare 3D pot contribui la atenuarea acestui decalaj, iar laboratorul nostru a facut un pas mare spre acest obiectiv”.

Laboratorul lui Chen a printat 3D o retea de vascularizare care se poate integra in conditii de siguranta cu reteaua proprie a organismului, necesara circulatiei sanguine. Aceste vase de sange se ramifica in mai multe serii de vase mai mici, similare cu structurile vaselor de sange gasite in organism. Lucrarea a fost publicată in jurnalul Biomateriale.

Echipa lui Chen a dezvoltat o tehnologie inovatoare de bioprintare, folosind propriile lor imprimante 3D, pentru a produce rapid microstructuri 3D complexe care imita modelele si functiile sofisticate ale tesuturilor biologice. Laboratorul lui Chen a folosit aceasta tehnologie in trecut pentru a crea tesut hepatic si pesti microscopici, ce pot inota (circula) prin organism pentru a detecta si elimina toxinele.

Cercetatorii creeaza mai intai un model 3D al structurii biologice pe un computer. Computerul transfera apoi imagini instantanee 2D ale modelului catre milioane de oglinzi de dimensiuni microscopice, care sunt fiecare in parte controlate digital pentru a proiecta modele de lumina UV sub forma acestor instantanee. Modelele UV sunt proiectate intr-o solutie ce contine celule vii si polimeri sensibili la lumina, care mai apoi se solidifica in urma expunerii la lumina UV. Structura este rapid imprimata, strat cu strat, intr-un mod continuu, creand o structura 3D de polimer solid, care incapsuleaza celule vii ce vor creste si vor deveni tesut biologic.

“Putem imprima direct structuri microvascularizate detaliate, la rezolutie extrem de inalta. Alte tehnologii de printare 3D produc prin comparatie, echivalentul unor structuri “pixelate” si de obicei necesita materiale de sacrificiu si pasi suplimentari pentru crearea vaselor”, a declarat Wei Zhu, savant post-doctoral in laboratorul lui Chen si cercetator indrumator al proiectului.
Si tot acest proces dureaza doar cateva secunde – o vasta imbunatatire in comparatie cu metodele de printare concurente, care in mod normal dureaza ore doar pentru a imprima structuri simple. De asemenea, procesul utilizeaza materiale care sunt necostisitoare si biocompatibile.

Echipa lui Chen a folosit tehnici de imagistica medicala pentru a crea un model digital al unei retele de vase de sange aflate in organism. Folosind tehnologia lor, au printat o structura care contine celule endoteliale, celule care formeaza captuseala interioara a vaselor de sange.

Intreaga structura se monteaza pe o mica suprafata care masoara 4 milimetri x 5 milimetri, 600 micrometri grosime (grosimea unui teanc continand 12 fire de par uman).

Cercetatorii au cultivat mai multe structuri in vitro, timp de o zi, apoi au introdus tesuturile rezultate, in rani ale pielii soarecilor. Dupa doua saptamani, cercetatorii au examinat implanturile si au constatat ca acestea s-au dezvoltat cu succes in interior si au fuzionat cu reteaua de vase de sange a gazdei, permitand astfel sangelui sa circule in mod normal.

Chen a remarcat faptul ca vasele de sange implantate nu sunt inca capabile de alte functii, cum ar fi transportul nutrientilor si al reziduurilor. “Mai avem in continuare multe lucruri de facut pentru a imbunatati aceste materiale. Acesta este un pas promitator spre viitorul regenerarii si repararii tesuturilor”, a spus el.

Mergand mai departe, Chen si echipa sa lucreaza la construirea de tesuturi specifice fiecarui pacient in parte, folosind celule stem pluripotente induse, ceea ce ar impiedica respingerea transplanturilor de catre sistemul imunitar al pacientului. Si din moment ce aceste celule sunt derivate din celulele pielii unui pacient, cercetatorii nu vor avea nevoie de nicio celula din interiorul corpului pentru a construi un tesut nou. Obiectivul final al echipei este de a muta activitatea lor catre studiile clinice. “Va dura cel putin cativa ani inainte de a atinge acest obiectiv“, a spus Chen.