Дивный новый мир органов, напечатанных на 3D-принтере, теперь включает в себя имплантированные структуры яичников, которые, в соответствии с их конструкцией, фактически овулируют, согласно исследованию Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета и Школы инженерии Маккормика.
Удаляя яичник самки мыши и заменяя его биопротезом яичника, мышь смогла не только овулировать, но и родить здоровых детенышей. Мамы даже могли кормить грудью своих детенышей.
Биопротезы яичников состоят из напечатанных на 3D-принтере каркасов, в которых размещаются незрелые яйцеклетки, и успешно стимулируют выработку гормонов и восстанавливают фертильность у мышей, что и было конечной целью исследования.
"Это исследование показывает, что эти биопротезы яичников имеют долгосрочную и надежную функцию", - сказала Тереза К. Вудрафф, репродуктолог и директор Научно-исследовательского института женского здоровья в Файнберге. «Использование биоинженерии вместо трансплантации от трупа для создания структур органов, которые функционируют и восстанавливают здоровье этой ткани для этого человека, - это святой Грааль биоинженерии для регенеративной медицины».
Доклад будет опубликован 16 мая в Nature Communications.
Чем это исследование отличается от других 3D-печатных структур?
Что отличает это исследование от других лабораторий, так это архитектура каркаса и материал, или «чернила», которые используют ученые, говорит Рамиль Шах, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Маккормике и хирургии в Файнберг.
Этот материал представляет собой желатин, представляющий собой биологический гидрогель, изготовленный из расщепленного коллагена, который безопасен для человека. Ученые знали, что созданный ими каркас должен быть сделан из органических материалов, достаточно жестких, чтобы с ними можно было обращаться во время операции, и достаточно пористых, чтобы естественным образом взаимодействовать с тканями тела мыши.
«Большинство гидрогелей очень слабые, так как состоят в основном из воды и часто разрушаются сами по себе», - сказал Шах. «Но мы нашли температуру желатина, которая позволяет ему быть самоподдерживающимся, не разрушаться и приводить к созданию нескольких слоев. Никто другой не смог напечатать желатин с такой четко определенной и самоподдерживающейся геометрией».
Эта геометрия напрямую связана с тем, выживут ли в яичнике фолликулы яичников, организованные поддерживающие клетки, вырабатывающие гормоны, окружающие незрелую яйцеклетку, что стало одним из самых важных результатов исследования..
«Это первое исследование, демонстрирующее, что архитектура каркаса влияет на выживаемость фолликулов», - сказал Шах. «Мы бы не смогли этого сделать, если бы не использовали платформу для 3D-принтеров».
Как это влияет на людей?
Единственная цель ученых при разработке биопротезов яичников заключалась в том, чтобы помочь восстановить фертильность и выработку гормонов у женщин, перенесших лечение рака во взрослом возрасте, или у тех, кто пережил рак в детстве и теперь имеет повышенный риск бесплодия и проблем развития, связанных с гормонами..
«Что происходит с некоторыми из наших больных раком, так это то, что их яичники не функционируют на достаточно высоком уровне, и им необходимо использовать заместительную гормональную терапию, чтобы вызвать половое созревание», - сказала Моника Ларонда, соавтор. этого исследования и бывший постдокторант в лаборатории Вудраффа. «Цель этого каркаса - резюмировать, как будет функционировать яичник. Мы думаем в целом, имея в виду каждый этап жизни девочки, от полового созревания до естественной менопаузы».
Ларонда в настоящее время является доцентом в Детском научно-исследовательском институте Стэнли Манна при Детской больнице Энн и Роберта Х. Лурье.
Кроме того, успешное создание трехмерных печатных имплантатов для замены сложных мягких тканей может существенно повлиять на будущую работу в области регенеративной медицины мягких тканей.
Как технически работает биологическая 3D-печать?
3-D печать структуры яичника похожа на ребенка, использующего Lincoln Logs, говорит Александра Рутц, соавтор исследования и бывший аспирант биомедицинской инженерии в лаборатории Shah's Tissue Engineering and Additive Manufacturing (TEAM). в Институте Симпсона Куэрри. Дети могут сложить бревна под прямым углом, чтобы получились конструкции. В зависимости от расстояния между бревнами конструкция меняется, строят окно или дверь и т.д.
«3D-печать выполняется путем наложения нитей», - сказал Рутц, который в настоящее время является научным сотрудником Whitaker International Postdoctoral в Школе Des Mines De Saint-Étienne в Гардане, Франция. «Вы можете контролировать расстояние между этими нитями, а также угол продвижения между слоями, и это даст нам разные размеры пор и другую геометрию пор."
В лаборатории Northwestern исследователи называют эти напечатанные на 3D-принтере конструкции «строительными лесами» и сравнивают их со строительными лесами, которые временно окружают здание во время ремонта.
«Каждый орган имеет скелет», - сказал Вудрафф, который также является профессором акушерства и гинекологии памяти Томаса Дж. Уоткинса и членом Комплексного онкологического центра Роберта Х. Лурье Северо-Западного университета. «Мы узнали, как выглядел этот скелет яичника, и использовали его в качестве модели для имплантата биопротеза яичника».
В здании строительные леса поддерживают материалы, необходимые для ремонта здания, пока их в конце концов не уберут. То, что осталось, - это структура, способная поддерживать себя. Точно так же напечатанный на 3D-принтере «каркас» или «скелет» имплантируется в самку, и его поры можно использовать для оптимизации того, как фолликулы или незрелые яйцеклетки вклиниваются в каркас. Каркас поддерживает выживание незрелых яйцеклеток мыши и клеток, вырабатывающих гормоны для увеличения производства. Открытая структура также обеспечивает пространство для созревания яйцеклеток и овуляции, а также формирования кровеносных сосудов внутри имплантата, что позволяет гормонам циркулировать в кровотоке мыши и запускать лактацию после родов.
Сотрудничество Маккормик и Файнберг, состоящее исключительно из женщин, для этого исследования было «очень плодотворным», - сказала Шах, добавив, что участие в женской команде, занимающейся исследованиями, направленными на поиск решений проблем женского здоровья, мотивирует.
"Что действительно делает совместную работу успешной, так это личности и возможность найти юмор в исследовании", - сказал Шах. «Тереза и я пошутили, что мы бабушка и дедушка этих щенков».
Видео: