Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) и Индийского технологического института в Мадрасе разработали новый микрожидкостный биореактор, напечатанный на 3D-принтере, который способен выращивать самоорганизующиеся ткани мозга человека.
Используя 3D-печать SLA и обычную стоматологическую смолу, исследователи смогли создать устройства на чипе для культивирования живых нервных клеток и биореактор для их выращивания в условиях in-vitro. При стоимости всего 5 долларов установка команды может служить менее дорогой альтернативой коммерческим устройствам, когда речь идет о тестировании на наркотики и разработке методов лечения таких заболеваний, как слабоумие или аутизм.
«Наши затраты на разработку значительно ниже, чем у традиционных чашек Петри или продуктов культивирования органоидов на основе спин-биореактора», - пояснил автор исследования Икрам Хан. «Кроме того, чип можно мыть дистиллированной водой, сушить и автоклавировать, поэтому его можно использовать повторно».
Посредством культивирования плюрипотентных стволовых клеток в среде in-vitro из них можно вырастить миниатюрные органы или «органоиды», такие как почки, сердце или даже мозг. Такие органоиды могут быть полезными инструментами скрининга лекарств для клиницистов, но их нужно выращивать в условиях инкубации, и тщательный мониторинг может нарушить их развитие.
Органоиды также нуждаются в постоянном притоке питания, чтобы выжить, но по мере того, как они со временем становятся больше, их ядра, как правило, отключаются и истощаются, что снижает жизнеспособность их клеток. Напротив, устройства «лаборатория на кристалле» позволяют ученым культивировать меньшие объемы клеток, с большей степенью свободы и по более доступной цене.
Хотя эти микрофлюидные системы традиционно создавались с помощью мягкой литографии, многоступенчатая техника остается ограниченной, когда дело доходит до гибкости дизайна. Поэтому для борьбы с этим американско-индийские исследователи применили 3D-печать для создания биореактора, который не только упрощает производство, но и обеспечивает тщательный, неинвазивный контроль клеток.
В рамках своей экспериментальной установки ученые использовали 3D-принтер Form 2 и биосовместимую смолу для производства микрожидкостных чипов со встроенными «лунками для визуализации», что позволило им культивировать органоиды в долгосрочной перспективе. После посева нейронных клеток, встроенных в матригель, устройства накрывали прозрачным стеклянным диском и нагревали в специально созданном биореакторе, что позволяло команде внимательно следить за развитием своих органоидов.
Каждая лунка имела порт термистора, что означало, что лекарства можно было доставлять in- vitro через канюлю в герметично закрытом процессе. По словам Хана, новая установка команды позволила «постоянную перфузию камеры для культивирования, которая более точно имитирует физиологическую ткань», поддерживая питание ядра органоида и, в конечном итоге, снижая гибель клеток.
Во время тестирования ученые даже смогли культивировать свои стволовые клетки в желудочке, который напоминал неокортекс, ткань головного мозга, отвечающую за высшие функции мозга. Хотя команда наблюдала за развитием своих органоидов только в течение 7 дней, они не заметили снижения жизнеспособности клеток и полагают, что в будущем их можно будет выращивать в течение продолжительных периодов времени.
На данный момент исследователи работают над тем, чтобы сделать свои чипы более эффективными за счет добавления клапанов и насосов, но в более долгосрочной перспективе они видят, что их устройства будут применяться в условиях промышленных испытаний на наркотики, предоставляя пользователям рентабельные средства моделирования взаимодействия. между болезнетворными микроорганизмами и человеческим мозгом.
Микрожидкостные системы, содержащие клетки, часто называемые устройствами «орган на чипе», обладают значительным потенциалом в борьбе со смертельными заболеваниями и проверке эффективности лекарств. Например, исследователи из Штутгартского университета и больницы Роберта Боша в настоящее время работают над трехмерной печатной тканевой платформой, которую можно использовать для моделирования прогрессирования раковых опухолей.
В том же ключе ученые Гарвардского университета разработали функциональное устройство «сердце на чипе», напечатанное на 3D-принтере, со способностью самоконтактиться и имитировать электрофизиологию настоящего органа. Используя систему датчиков, команда смогла внимательно следить за реакцией органоида на токсичные вещества, что предоставило ему потенциальные возможности для тестирования на наркотики.
Тем временем команда из Автономного университета Мадрида развернула керамическую 3D-печать для создания устройства для репликации кровеносных сосудов. Восьмисторонний чип ученых может позволить разработку in-vitro множества различных типов тканей с помощью единой и универсальной многоканальной микрожидкостной платформы.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «Недорогой микрожидкостный биореактор с 3D-печатью и камера для визуализации живых органоидов». Соавторы исследования: Икрам Хан, Анил Прабхакар, Хлоя Делепин, Хейли Цанг, Винсент Фам и Мриганка Сур.