Изготовление костей: применение 3D-печати в медицине

Введение

Вы когда-нибудь задумывались, как ученые изучают распространение рака в костях? Традиционно эти исследования сильно зависели от испытаний на животных, но исследователи из Института Генри Ройса при Манчестерском университете революционизируют эту область, используя технологию 3D-печати(биопечать) для создания сложных моделей костей в лаборатории. Этот инновационный подход может значительно сократить потребность в тестах на животных, обеспечивая более контролируемые и воспроизводимые условия для изучения костной ткани. Например, в лаборатории можно точно регулировать состав среды, количество питательных веществ и физические параметры, такие как температура и давление, что невозможно при работе с живыми организмами. Это позволяет получать более точные и воспроизводимые результаты.

Строительные блоки природы

Наши кости представляют собой сложные структуры с уникальными свойствами, которые делают их особенно интересными для исследований рака, особенно при изучении того, как рак молочной железы распространяется (метастазирует) в костную ткань. Понимание этих взаимодействий традиционно требовало обширных исследований на животных, но наши передовые исследования меняют этот подход, сочетая точность 3D-печати с потенциалом стволовых клеток для создания реалистичных моделей костей в лаборатории.

Печать будущего

«Мы, по сути, создаем кость в чашке Петри, используя технологию 3D-печати», отмечает Фатих Эролу. «Это похоже на создание миниатюрной версии костной ткани, где мы можем изучать поведение раковых клеток в контролируемых условиях».

Используемые материалы

Команда использует два специальных материала для создания этих клеточных "домов":

• PLGA (поли(молочная-ко-гликолевая кислота)) — биодеградируемый материал, широко используемый в медицинских приложениях. Этот полимер обеспечивает основную структуру для нашей модели кости.

• HA-PLGA — комбинация PLGA и гидроксиапатита, минерала, естественно встречающегося в костях. Добавление гидроксиапатита делает материал более похожим на натуральную костную ткань, создавая более реалистичную среду для наших исследований.

  

Эти исследования особенно интересны тем, что используют базовую технологию 3D-печати. В то время как традиционная инженерия тканей обычно опирается на специализированные биопринтеры, такие как Rokit Invivo 4D6, как наилучшее решение в данной области, наши исследования демонстрируют успешные результаты с использованием стандартного FDM (метод послойного наплавления) принтера — такого же, какой используется в обычных настольных 3D-принтерах. Это драматическое снижение стоимости оборудования может демократизировать исследования в области инженерии тканей, делая их доступными для большего числа лабораторий по всему миру. Показав, что эффективные каркасы могут быть созданы с использованием этих экономичных методов, мы расширяем возможности для исследователей, которые раньше не могли позволить себе дорогостоящее биопечатное оборудование, традиционно необходимое в этой области.

Стволовые клетки: мастера-строители

Ключевой процесс начинается, когда стволовые клетки, называемые мезенхимальными стволовыми клетками костного мозга (BM-MSCs), вводятся в эти 3D-печатные каркасы. Эти удивительные клетки могут превращаться в различные типы клеток, включая костные клетки. Они подобны строителям природы, способным создавать новую ткань, если им создать подходящую среду.

«Это похоже на создание идеальной среды для этих клеток, чтобы они стали тем, что нам нужно», отмечает Фатих Эролу. «Наши ранние результаты показывают, что клетки не только выживают, но и создают реалистичную костеподобную среду, которую мы можем использовать для изучения метастазов рака».

Роль микроструктуры

Микроскопическая структура каркасов играет ключевую роль в этом процессе. Маленькие поры по всему материалу создают взаимосвязанную сеть, которая позволяет клеткам:

• Свободно перемещаться по структуре

• Получать доступ к питательным веществам, необходимым для выживания

• Образовывать связи с другими клетками

• Развиваться в организованную костеподобную ткань

Преодоление новых рубежей

Эта технология 3D-печати может преобразить то, как мы изучаем метастазы рака в кости. Первые результаты показывают, что стволовые клетки успешно:

• Прикрепляются к структуре каркаса

• Размножаются и растут

• Начинают превращаться в костные клетки
  Создают собственный внеклеточный матрикс, естественный каркас ткани

Этот успех является значительным шагом вперед в разработке альтернативных методов к тестированию на животных. Создавая среду, которая близко имитирует естественную кость, мы предоставляем исследователям надежную платформу для изучения взаимодействия раковых клеток с костной тканью.

Взгляд в будущее

Эти исследования открывают захватывающие возможности для исследований рака, включая тестирование новых методов лечения, более глубокое понимание механизма метастазирования и разработку персонализированных терапий, а также способствуют разработке лекарств, которые могут быть более эффективными и безопасными. Сочетая технологии с передовым биологическим пониманием, мы приближаемся к будущему, в котором многие предварительные исследования могут проводиться без необходимости тестирования на животных.

Последствия выходят за рамки исследований рака. Принципы и методы, разработанные в этой работе, потенциально могут быть применены к изучению других заболеваний, поражающих костную ткань, при этом сокращая нашу зависимость от животных моделей.

«Мы не просто создаем каркасы», заключает Фатих Эролу, «мы создаем новые способы изучения заболеваний и тестирования лечения, которые могут сократить количество тестов на животных и ускорить прогресс в исследованиях».