Ученые разработали метод печати живых тканей на 3D-биопринтере, в котором используются стволовые клетки и одно из их важнейших свойств — самоорганизация. Как сообщается в журнале Nature Materials, помещенные в благоприятные условия стволовые клетки разных тканей самоорганизовались и сформировали ткани, которые выглядели и функционировали, как полноценные живые ткани.

Формирование тканей в живом организме зависит от межклеточных контактов и микроокружения клеток. В процессе развития и жизнедеятельности клетки формируют вокруг себя внеклеточный матрикс — часть ткани, которая служит механической опорой и посредником информации для клеток. Клетки располагаются в матриксе (соответственно, и в ткани) в характерном для каждого органа пространственном отношении. Чтобы встать в нужное место в нужное время, клетки экспрессируют сотни рецепторов и химических веществ, которые определяют характер взаимодействия клетки с соседними клетками и матриксом. Благодаря таким взаимодействиям, клетки самоорганизуются — каждая клетка знает, где ей нужно находится в ткани и что ей нужно делать.

До недавнего времени ученым не удавалось с помощью 3D-биопринтинга вырастить органоиды больших размеров (больше сантиметра), поскольку либо клетки слишком плотно прикреплялись к среде и не могли двигаться, либо сама среда не позволяла создать необходимое микроокружение. Однако Маттиас Лутольф (Matthias P. Lutolf) с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новый подход 3D-биопечати, который может решить эти проблемы. Новый метод, который, среди прочих преимуществ, позволяет микроскопически работать с клеточной массой и напрямую наблюдать за процессом печати и выращивания, использует самоорганизацию стволовых клеток, как основу для выращивания полноценных органов и тканей. Такой подход позволяет повторить естественные процессы развития тканей и органов.

Чтобы продемонстрировать потенциал и универсальность нового метода, ученые использовали стволовые клетки тонкой кишки человека. Напечатанные в линию стволовые клетки поместили на питательную среду из гидрогеля с коллагеном, которая по свойствам похожа на внеклеточный матрикс. В этой среде клетки легко перемещались и создавали вокруг себя волокнистую соединительнотканную структуру, дополнительно превращая среду в благоприятное микроокружение.

Через несколько дней клетки трансформировались в цельную и организованную эпителиальную трубку длиной от 5 до 15 миллиметров, окруженную специфическим матриксом, в которой ученые находили тканевую организацию, обнаруживаемую в классических органоидах тонкой кишки. При этом, отмечают ученые, большое влияние на формирование кишечной трубки оказывали именно питательная среда и внеклеточный матрикс, которые создавали благоприятное микроокружение для самоорганизации клеток. Примечательно, что межклеточная самоорганизация нивелировала небольшие дефекты печати (например, слипание клеток).

Также ученым удалось вырастить и эпителий тонкой кишки мыши. Сначала стволовые клетки располагались в виде линии, но уже через четыре-шесть дней, благодаря самоорганизации клеток, в этой линии появился просвет, который превратил ее в полую трубку. Спустя еще один-два дня в трубке обнаруживались характерные для эпителия тонкой кишки крипты и ворсинки, в которых ученые нашли зрелые дифференцированные энтероциты, клетки Панета (защитные клетки, которые встречаются только в тонкой кишке), бокаловидные и энтероэндокринные клетки. Вся трубка целиком реагировала на внешние раздражители — клетки Панета высвобождали бактерицидные гранулы в ответ на химическое раздражение, а все клетки набухали при действии форсколина. Эти реакции показывают, что новый метод биопечати может давать инженерные ткани с физиологическими реакциями, напоминающими таковые в живых организмах.

Кроме того, напечатанные на смеси с васкулярно-эндотелиальным фактором роста (VEGF) эндотелиальные клетки образовывали капиллярные сосуды de novo. Благодаря благоприятным условиям (VEGF, неплотная среда), образование капилляров запускалось в тканевом масштабе, что приводило к формированию сосудистой сети с непрерывным просветом.

Все эти эксперименты показывают, что специфические локальные взаимодействия, управляющие самоорганизацией небольшого клеточного блока, могут распространяться на тканевой уровень и формировать ткани разных типов: как эндотелиальные, так и ткани внутренней среды. Использование свойства самоорганизации стволовых клеток должно стать важным шагом на пути к выращиванию тканей и органов in vitro, ведь в таком случае можно будет получать функционально полноценные органы, которые можно будет использовать для трансплантации или испытания лекарств.