Технологию создания 3D-моделей тканей для тестирования лекарств улучшили в России | Новости науки
Ученые из Санкт-Петербурга разработали новый способ производства микроскопических гелевых капсул, в которых можно выращивать живые клетки. Для этого гель и раствор с клетками с помощью вакуумного насоса смешивают в тонких каналах микрочипа, после чего смесь разделяется на капли и застывает. Получаемые 3D-структуры хорошо имитируют реальные ткани, поэтому используются для тестирования лекарств и разработки методов восстановительной медицины.
Разработка поможет расширить и удешевить практическое использование 3D-клеточных культур, подчеркнули в пресс-службе Российского научного фонда.
При тестировании лекарств и в экспериментах по восстановлению тканей ученые все чаще используют объемные (3D) культуры клеток, например, в виде сфер — они называются «клеточные сфероиды». Такие структуры лучше, чем плоские слои, имитируют реальные ткани и органы. Обычно основой для них служат гидрогели — совместимые с организмом материалы, которые напоминают желе. Но в объемных гидрогелях питательные вещества и кислород распределяются неравномерно — в глубине материала их оказывается очень мало, из-за чего в этих зонах клетки хуже растут. Поэтому гидрогели формируют в виде микрочастиц размером, сопоставимым с диаметром человеческого волоса, внутри которых все клетки получают достаточно питания.
Но создавать подобные микрогели сложно: для этого требуется дорогостоящее оборудование с несколькими высокоточными насосами, которые перекачивают и смешивают все необходимые компоненты, и специалисты, способные настроить синтез. Поэтому ученые ищут более простые и доступные подходы.
Ученые из Санкт-Петербургского Академического университета имени Ж.И. Алферова РАН (Санкт-Петербург) разработали доступную технологию, которая позволяет создавать гидрогелевые микрочастицы даже со сложной структурой, например, с ядром и оболочкой или разделенные на две половинки из разных компонентов.
Исследователи собрали установку, в которой один простой вакуумный насос подает гелевый материал и раствор с клетками в тонкие каналы микрочипа. В них компоненты равномерно смешиваются и разбиваются на капли строго определенного размера. Затем эти капли постепенно застывают и уже в виде гелевых шариков поступают в емкость для сбора микрочастиц. В результате каждая из таких капсул имитирует трехмерную ткань благодаря объемному расположению клеток в ней.
Такой подход, в отличие от аналогов, не требует использования нескольких высокоточных и дорогих насосов, которые нужно синхронизировать, чтобы получить смесь геля и клеток в нужном соотношении. Поэтому предложенная система дешевле, стабильнее и проще в использовании.
Ученые настроили установку: подобрали оптимальные скорости подачи компонентов и диаметры каналов. В результате им удалось получить до 200 тысяч микрочастиц в час, что сопоставимо с другими более сложными методами. Такая скорость позволит применять новую технологию в регенеративной медицине для биопечати моделей тканей и органов, а также для тестирования лекарств на 3D-клеточных культурах.
Исследователи подтвердили, что в полученных капсулах клетки не только оставались живыми, но и активно делились. Так, за 12–15 дней наблюдений в микрогелях погибло всего 5–15% клеток, что не превышает их смертность в плоских клеточных культурах.
«В дальнейшем мы планируем получать таким методом клеточные сфероиды и органоиды из нескольких типов клеток и формировать из них методом 3D-печати сложные тканеинженерные конструкции, содержащие кровеносные сосуды, легочные пузырьки и другие интересные для изучения структуры. Такие конструкции позволят ускорить проведение доклинических испытаний новых лекарств и, быть может, в один прекрасный день войдут в клиническую практику и станут использоваться для восстановления поврежденных тканей пациентов», — рассказал руководитель проекта Антон Букатин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии Санкт-Петербургского Академического университета имени Ж.И. Алферова РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering.