Ученые из Университета Британской Колумбии (Канада) создали на 3D-принтере искусственный фрагмент легкого, который по своей структуре и поведению почти неотличим от настоящего.

Эта разработка открывает новые, почти безграничные возможности для изучения болезней легких и поиска лекарств от них.

Эммануэль Осеи, доцент факультета науки, объясняет, что до сих пор у ученых не было по-настоящему хороших моделей для экспериментов.

Чтобы изучать механизмы сложных легочных заболеваний и искать новые мишени для лекарств, нам нужны модели, которые можно сравнить с человеческими тканями, — говорит исследователь.

Команда использовала особые чернила для печати — биочернила. В их состав входит модифицированный желатин и специальный полимер.

Из этого материала принтер создает гидрогель — упругую, насыщенную влагую структуру, внутри которой живут разные типы клеток и даже воссозданы крошечные каналы, имитирующие кровеносные сосуды.

Эта искусственная ткань ведет себя так же, как и настоящая: растягивается, сжимается и реагирует на раздражители.

Наша цель — создать максимально достоверную модель человеческих дыхательных путей, — поясняет Осеи. — Добавив сосудистый компонент, мы смогли лучше сымитировать среду легкого, что критически важно для изучения болезней и тестирования терапии.

Ученый приводит пример: когда у пациента рак легкого, хирург с его согласия может передать науке удаленный кусочек опухоли и прилегающей здоровой ткани. Но у исследователя нет контроля над тем, сколько именно материала он получит. Ему может достаться крошечный образец, которого едва хватит на несколько опытов.

Технология 3D-биопечати меняет правила игры: клетки из этого ценного образца можно размножить и напечатать из них практически любое количество живой ткани для экспериментов. Ученые больше не зависят от случайных пожертвований и могут работать непрерывно.

Это прорыв для изучения болезней, которые сегодня считаются неизлечимыми:

• Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ)
• Астма
• Идиопатический легочный фиброз
• Рак легкого

Исследование опубликовано в журнале Biotechnology and Bioengineering. Ученые уже проверили свою модель, подвергнув ее воздействию экстракта сигаретного дыма. Искусственная ткань среагировала точно так же, как и живая: в ней резко вырос уровень провоспалительных цитокинов — маркеров воспалительной реакции на никотин.

То, что мы смогли не только создать модель, но и, используя такие триггеры, как сигаретный дым, продемонстрировать ее реакцию, имитирующую болезнь, — это огромный шаг вперед. Это поможет нам понять сложные механизмы заболеваний и то, как их лечить, — заключает Осеи.

Модель сложная, но благодаря воспроизводимости биопечати ее можно адаптировать: добавить другие типы клетов или использовать клетки конкретного пациента. Это открывает путь к персонализированной медицине, когда лекарства тестируют на «копии» легкого больного, прежде чем начать лечение.

Польза исследования

• Во-первых, это колоссальное ускорение доклинических испытаний. Фармацевтические компании тратят годы и миллиарды долларов на тесты in vitro (в пробирке) на клеточных линиях и in vivo (на животных), которые часто не отражают реакцию человеческого организма. Эта модель, будучи гораздо ближе к реальности, позволит быстрее и дешевле отсеивать неэффективные или токсичные соединения, оставляя для дорогостоящих клинических испытаний на людях только самые перспективные кандидаты.
• Во-вторых, это этический прорыв. Он позволяет радикально сократить количество экспериментов на лабораторных животных в респираторной фармакологии и токсикологии.
• В-третьих, и это главное, — перспектива персонализированной медицины. Можно создать модель легкого из клеток конкретного пациента с редкой формой астмы или фиброза и методом перебора найти терапию, которая подойдет именно ему. Это уход от универсального подхода к точечному, индивидуальному лечению.

Основное замечание — относительно валидации модели. Хотя авторы показали воспалительный ответ на сигаретный дым, настоящим испытанием будет ее способность точно предсказывать эффективность и побочные эффекты известных лекарств в долгосрочной перспективе. Сложнейший аспект легкого — это воздушно-кровяной барьер, тончайшая структура, где происходит газообмен. Насколько полно и физиологично модель воссоздает этот барьер, включая кровоток и механические нагрузки при дыхании, в научной статье раскрыто не полностью. Кроме того, биопечатные конструкции часто страдают от недостаточной васкуляризации — невозможности создать плотную сеть полноценных, функционирующих капилляров, что может ограничивать их жизнеспособность и адекватность ответа в длительных экспериментах.

Ранее ученые заявили, что легкие стареют раньше, чем мы думаем.