Algoritmus zefektivňuje návrh vaskulárního systému pro 3D tištěné srdce

V USA je více než 100 000 lidí na seznamech transplantací orgánů, z nichž někteří budou čekat roky, než jeden obdrží – a někteří nemusí čekat. I s dobrým zápasem existuje šance, že tělo osoby odmítá orgán. Pro zkrácení čekacích období a snížení možnosti odmítnutí, vědci v regenerativní medicíně vyvíjejí metody, jak používat vlastní buňky pacienta k výrobě personalizovaných srdcí, ledvin, játra a dalších orgánů na vyžádání.

Zajištění, že kyslík a živiny mohou dosáhnout každé části nově pěstovaného orgánu, je trvalou výzvou. Vědci ve Stanfordu vytvořili nové nástroje k návrhu a 3D tiskli neuvěřitelně složité vaskulární stromy potřebné k přepravě krve v orgánu. Jejich platforma, Publikováno 12. června VědaGeneruje návrhy, které se podobají tomu, co ve skutečnosti vidíme v lidském těle, výrazně rychlejší než předchozí pokusy a jsou schopny tyto návrhy převést do pokynů pro 3D tiskárnu.

„Schopnost rozšířit bioprintované tkáně je v současné době omezena schopností generovat pro ně vaskulaturu – tyto tkáně nemůžete zvýšit bez poskytnutí a přísun krve“řekla Alison Marsden, Douglas M. a Nola Leishman profesor kardiovaskulárních chorob, profesor pediatrie a bioinženýrství ve Stanfordu ve školách strojírenství a medicíny a spolupráci v dokumentu jsme dokázali vytvořit algoritmus pro výrobu vaskulatur, které jsme mohli vyrábět pro složité shapes.“

Vaskulatura v orgánu

Když je krev čerpána do orgánu v těle, přesune se z velké tepny do menších a menších větvících se krevních cév, kde může vyměňovat plyny a živiny s okolními tkáněmi. Ve většině tkání musí být buňky na šířce vlasové šířky krevní cévy, aby přežily, ale v metabolicky náročných tkáních, jako je srdce, je vzdálenost ještě menší-může existovat více než 2 500 kapilár v kostce milimetrů. Všechny tyto malé krevní cévy se nakonec spojí zpět, než opustí orgán.

Tyto vaskulární sítě nejsou standardizovány; Orgány přicházejí v mnoha tvarech a mezi dvěma podobně velkými srdcemi existuje mnoho rozmanitosti. Až do tohoto okamžiku bylo generování modelu realistické vaskulární sítě, která odpovídá jedinečnému a složitému orgánu, obtížné a neuvěřitelně časově náročné. Mnoho vědců se místo toho spoléhalo na standardizované mřížky, které dobře fungují v malých inženýrských tkáňových modelech, ale dobře se nezšijí.

Marsden a její kolegové vytvořili algoritmus pro vytváření vaskulárních stromů, které úzce napodobují architektury nativních orgánů krevních cév, a zpřístupnili software pro kohokoli, koho použít prostřednictvím svého Simvaskulární Open-Source Project. Začlenili simulace dynamiky tekutin, aby se zajistilo, že vaskulatura by rovnoměrně distribuovala krev a úspěšně zkrátila čas potřebný k vytvoření sítě a přitom se stále vyhýbá kolizím mezi krevními cévami a vytvoření uzavřené smyčky s jediným vchodem a výstupem.

„Trvalo asi pět hodin, než se vytvořil počítačový model stromu, který vaskularizuje lidské srdce. Dokázali jsme se dostat k hustotě, kde by jakákoli buňka v modelu byla asi 100 až 150 mikronů daleko od nejbližší krevní cévy, což je docela dobré,“ řekl Zachary Sexton, postdoktorandský vědec v Marsdenově laboratoři a co-first autor. Konstrukce obsahovala milion krevních cév. „Tento úkol se předtím nebyl proveden a pravděpodobně by trval měsíce s předchozími algoritmy.“

Zatímco 3D tiskárny ještě nejsou na úkolu tisknout tak jemnou a hustou síť, vědci byli schopni navrhnout a tisknout vaskulární model s 500 větvemi. Testovali také jednodušší verzi, aby se zajistilo, že by mohla udržet buňky naživu.

Pomocí 3D bioprinter – který vytiskne s živými buňkami místo pryskyřice nebo kovu – vědci vytvořili tlustý prsten naložený lidským embryonálním ledvinovým buňkám a postavili síť 25 cév, které procházely. Načerpali kapalinu naloženou kyslíkem a živinami přes síť a úspěšně udržovali vysoký počet buněk v těsné blízkosti vaskulární sítě naživu.

„Ukazujeme, že tato plavidla mohou být navržena, vytištěna a mohou udržovat buňky naživu,“ řekl Mark Skylar-Scott, docent bioinženýrství a autor spolupráce. „Víme, že je třeba udělat práci pro urychlení tisku, ale nyní máme tento potrubí, abychom velmi efektivně generovali různé vaskulární stromy a vytvořili sadu pokynů k jejich tisku.“

Bioprinted Heart

Vědci si rychle poznamenávají, že tyto vaskulární sítě ještě nejsou funkční krevní cévy – jsou kanály vytištěny prostřednictvím 3D matice, ale nemají svalové buňky, endoteliální buňky, fibroblasty nebo cokoli jiného, ​​co by musely pracovat sami.

„Toto je první krok k vytvoření opravdu složitých cévních sítí,“ řekl Dominic Rütsche, postdoktorand v laboratoři Skylar-Scott a spolupravějící autor na novinách. „Můžeme je tisknout na nikdy předtím viděné složitosti, ale ještě nejsou plně fyziologické cévy. Na tom pracujeme.“

Proměnit tyto návrhy na fungující krevní cévy je jen jedním z mnoha aspektů bioprintingu fungujícího lidského srdce, na kterém Skylar-Scott a jeho kolegové pracují. Také zkoumají, jak povzbudit nejmenší Krevní cévy—Tose, které jsou příliš malé nebo příliš úzce rozmístěné na to, aby se tiskly – růst samy o sobě, zlepšily schopnosti 3D bioprinterů, aby byly rychlejší a přesnější, a pěstovaly obrovské množství buněk, které budou muset tisknout celé srdce.

„To je kritický krok v procesu,“ řekl Skylar-Scott. „Úspěšně jsme vytvořili dostatek srdečních buněk z lidských kmenových buněk, abychom tiskli celé lidské srdce, a nyní můžeme navrhnout dobrý, komplexní vaskulární strom, který je udržuje v krmení a živém.