Алгоритм ускорил проектирование сосудистой системы для 3D-печати сердца

Более 100 тысяч человек в США ожидают пересадки органов. Для многих это ожидание может затянуться на годы, а некоторые так и не доживут до операции. Даже при удачном подборе донорского органа существует риск его отторжения. Чтобы сократить очереди и повысить шансы на выживание, ученые по всему миру разрабатывают технологии создания органов из собственных клеток пациента. Однако одна из главных проблем — обеспечение полноценного кровоснабжения таких искусственных органов.

Группа исследователей из Стэнфордского университета разработала инновационный алгоритм, позволяющий в разы быстрее проектировать сложнейшие сосудистые системы, необходимые для снабжения тканей кислородом и питательными веществами. Их платформа, представленная 12 июня в журнале Science, способна создавать реалистичные 3D-модели сосудистых деревьев и превращать их в инструкции для биопринтера.

«Основной преградой масштабирования 3D-печати тканей является именно невозможность быстро и точно создать сосудистую систему. Без кровоснабжения ткань просто не выживет», — поясняет профессор Элисон Марсден, один из авторов работы. Благодаря новому алгоритму, время генерации сложной сосудистой структуры удалось сократить примерно в 200 раз. Теперь создание модели для сердца занимает около пяти часов вместо нескольких месяцев.

В ходе экспериментов ученые смоделировали сосудистую сеть с миллионом ветвлений, обеспечивая, чтобы расстояние от любой точки ткани до ближайшего сосуда не превышало 100–150 микрон — это соответствует естественным параметрам сердца. Для печати использовалась биочернильная смесь, содержащая живые клетки. Исследователи успешно создали и протестировали прототип кольца из клеток человеческой почки с сетью из 25 сосудов, по которым прокачивалась жидкость, насыщенная кислородом и питательными веществами. В результате клетки, находящиеся вблизи сосудов, остались живыми.

Впрочем, напечатанные сосуды пока не являются полнофункциональными. В них нет мышечных или эндотелиальных клеток, поэтому они не способны самостоятельно выполнять все функции настоящих кровеносных сосудов. Однако ученые называют эту разработку первым важным шагом к созданию работающей сосудистой сети.

Сейчас команда работает над тем, чтобы объединить клетки и сосуды в масштабах всего органа. Они уже добились успеха в выращивании сердечных клеток из стволовых клеток человека в необходимом объеме для печати целого сердца. Следующая цель — полностью биопечатное сердце, способное функционировать как настоящее.

«Мы создали сосудистую структуру и вырастили нужное количество сердечных клеток. Теперь мы собираем их вместе, чтобы напечатать полноценное сердце», — говорит доцент Марк Скайлар-Скотт, соавтор исследования.