Вчені розробили метод друку живих тканин на 3D-біопринтері, в якому використовуються стовбурові клітини і одна з їх найважливіших властивостей - самоорганізація. У журналі повідомляється, що в сприятливих умовах стовбурові клітини різних тканин самоорганізувалися і сформували тканини, які виглядали і функціонували як повноцінні живі тканини.
Формування тканин у живому організмі залежить від міжклітинних контактів і мікроокруження клітин. У процесі розвитку і життєдіяльності клітини формують навколо себе позаклітинний матрикс - частину тканини, яка служить механічною опорою і посередником інформації для клітин. Клітини розташовуються в матриксі (відповідно, і в тканині) в характерному для кожного органу просторовому відношенні. Щоб стати в потрібне місце в потрібний час, клітини експресують сотні рецепторів і хімічних речовин, які визначають характер взаємодії клітини з сусідніми клітинами і матриксом. Завдяки таким взаємодіям клітини самоорганізуються - кожна клітина знає, де їй потрібно перебувати в тканині і що їй потрібно робити.
Донедавна вченим не вдавалося за допомогою 3D-біопринтингу виростити органоїди великих розмірів (більше сантиметра), оскільки або клітини занадто щільно прикріплювалися до середовища і не могли рухатися, або саме середовище не дозволяло створити необхідне мікроокруження. Однак Маттіас Лутольф (Matthias P. Lutolf) з колегами з Федеральної політехнічної школи Лозанни розробили новий підхід 3D-біопечаті, який може вирішити ці проблеми. Новий метод, який, серед інших переваг, дозволяє мікроскопічно працювати з клітинною масою і безпосередньо спостерігати за процесом друку і вирощування, використовує самоорганізацію стовбурових клітин, як основу для вирощування повноцінних органів і тканин. Такий підхід дозволяє повторити природні процеси розвитку тканин і органів.
Щоб продемонструвати потенціал і універсальність нового методу, вчені використовували стовбурові клітини тонкої кишки людини. Надруковані в лінію стовбурові клітини помістили на живильне середовище з гідрогелю з колагеном, яка за властивостями схожа на позаклітинний матрикс. У цьому середовищі клітини легко переміщалися і створювали навколо себе волокнисту сполучну структуру, додатково перетворюючи середовище на сприятливе мікроокруження.
Через кілька днів клітини трансформувалися в цільну і організовану епітеліальну трубку довжиною від 5 до 15 міліметрів, оточену специфічним матриксом, в якій вчені знаходили тканинну організацію, виявлену в класичних органоїдах тонкої кишки. При цьому, відзначають вчені, великий вплив на формування кишкової трубки надавали саме живильне середовище і позаклітинний матрикс, які створювали сприятливе мікроокруження для самоорганізації клітини. Примітно, що міжклітинна самоорганізація нівелювала невеликі дефекти друку (наприклад, злипання клітин).
Також вченим вдалося виростити і епітелій тонкої кишки миші. Спочатку стовбурові клітини розташовувалися у вигляді лінії, але вже через чотири-шість днів, завдяки самоорганізації клітин, у цій лінії з'явився просвіт, який перетворив її на напівю трубку. Через ще один-два дні в трубці виявлялися характерні для епітелію тонкої кишки крипти і ворсинки, в яких вчені знайшли зрілі диференційовані ентероцити, клітини Панета (захисні клітини, які зустрічаються тільки в тонкій кишці), бокаловидні і ентероендокринні клітини. Вся трубка цілком реагувала на зовнішні подразники - клітини Панета вивільняли бактерицидні гранули у відповідь на хімічне подразнення, а всі клітини набухали при дії форсколину. Ці реакції показують, що новий метод біопечаті може давати інженерні тканини з фізіологічними реакціями, що нагадують такі в живих організмах.
Крім того, надруковані на суміші з васкулярно-ендотеліальним фактором зростання (VEGF) ендотеліальні клітини утворювали капілярні судини. Завдяки сприятливим умовам (VEGF, нещільне середовище) утворення капілярів запускалося в тканинному масштабі, що призводило до формування судинної мережі з безперервним просвітом.
Усі ці експерименти показують, що специфічні локальні взаємодії, які керують самоорганізацією невеликого клітинного блоку, можуть поширюватися на тканинний рівень і формувати тканини різних типів: як ендотеліальні, так і тканини внутрішнього середовища. Використання властивості самоорганізації стовбурових клітин має стати важливим кроком на шляху до вирощування тканин та органів, адже в такому випадку можна буде отримувати функціонально повноцінні органи, які можна буде використовувати для трансплантації або випробування ліків.
Нещодавно ми розповідали, що інша група вчених з цієї ж швейцарської школи розробила метод 3D-біопринтингу, який відрізняється від традиційної післяйної 3D-друку тим, що модель органу створюється одночасно за всім обсягом в один етап, що знижує час друку до декількох десятків секунд.