Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Кравченко С.В.

Краснодарский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК “Микрохирургия глаза” им. акад. С.Н. Федорова»» Минздрава России;
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»

Сахнов С.Н.

Краснодарский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК “Микрохирургия глаза” им. акад. С.Н. Федорова»» Минздрава России;
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России

Мясникова В.В.

Краснодарский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК “Микрохирургия глаза” им. акад. С.Н. Федорова»» Минздрава России;
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России

Трофименко А.И.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»;
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России;
Научно-исследовательский институт — Краевая клиническая больница №1 им. проф. С.В. Очаповского Минздрава Краснодарского края

Бузько В.Ю.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет»

Технологии биопечати в офтальмологии

Авторы:

Кравченко С.В., Сахнов С.Н., Мясникова В.В., Трофименко А.И., Бузько В.Ю.

Подробнее об авторах

Журнал: Вестник офтальмологии. 2023;139(5): 105‑112

Просмотров: 1405

Загрузок: 59


Как цитировать:

Кравченко С.В., Сахнов С.Н., Мясникова В.В., Трофименко А.И., Бузько В.Ю. Технологии биопечати в офтальмологии. Вестник офтальмологии. 2023;139(5):105‑112.
Kravchenko SV, Sakhnov SN, Myasnikova VV, Trofimenko AI, Buzko VYu. Bioprinting technologies in ophthalmology. Russian Annals of Ophthalmology. 2023;139(5):105‑112. (In Russ., In Engl.)
https://doi.org/10.17116/oftalma2023139051105

Рекомендуем статьи по данной теме:
При­ме­не­ние тех­но­ло­гии «ор­ган-на-чи­пе» в эк­спе­ри­мен­таль­ной оф­таль­мо­ло­гии. Вес­тник оф­таль­мо­ло­гии. 2023;(1):114-120
На­но­тех­но­ло­гии в оф­таль­мо­ло­гии. Вес­тник оф­таль­мо­ло­гии. 2023;(4):107-114
Ме­то­ды хи­рур­ги­чес­кой ре­конструк­ции конъюн­кти­вы. Вес­тник оф­таль­мо­ло­гии. 2023;(6):136-143

Биопечать, или биопринтинг (англ. bioprinting), — технология, позволяющая из живых клеток, биополимеров и иных материалов биологического и небиологического происхождения создавать аддитивным способом биоинженерные структуры с заданной двух- или трехмерной пространственной организацией [1, 2].

Данная технология обладает существенным потенциалом для применения в регенеративной медицине, позволяя в перспективе создавать предназначенные для имплантации взамен поврежденного органа или ткани биоискусственные системы, состоящие из каркаса на основе биосовместимых материалов и живых клеток [3]. Кроме того, технологии биопечати могут использоваться для создания тканеинженерных конструкций, органоидов, микрофизиологических систем «орган-на-чипе», предназначенных для применения в фундаментальных биомедицинских исследованиях, а также при скрининге новых лекарственных препаратов [4, 5].

Цель данного обзора — дать краткую характеристику основным технологиям биопечати и их возможностям в сфере клинической и экспериментальной офтальмологии.

Общая характеристика технологий биопечати

Важным аспектом создания любой биопечатной конструкции является разработка ее цифровой модели с использованием систем автоматического проектирования, таких как FreeCAD, Solidworks, Blender, Onshape, OpenSCAD и др. Созданная трехмерная модель обычно конвертируется в формат STL (STereoLithography), используемый большинством программ для 3D-печати. В процессе биопечати траектории перемещения печатающей головки и объем наносимых биочернил определяются G-кодом, генерируемым на основе STL-файлов [2]. В зависимости от используемого принципа нанесения биочернил существуют следующие основные виды биопечати: лазерная, струйная и экструзионная.

Лазерная биопечать. В основе лазерной биопечати лежит нанесение частиц биочернил на поверхность принимающего субстрата (мишени) под действием света лазера. Существуют различные вариации данного метода. Биопринтеры, работающие по технологии Laser-Guided Direct Write (LGDW), фокусируют лазерный луч в толще суспензии частиц (например, живых клеток), осаждая их на поверхности мишени [3]. Другой подход основан на использовании явления прямого лазер-индуцированного переноса материала, для чего биочернила наносятся на специальную подложку, имеющую в своем составе энергопоглощающий слой, на котором фокусируется луч лазера. Испарение данного слоя под действием лазерного излучения приводит к выбрасыванию частиц биочернил на расположенный внизу субстрат [6]. Лазерная биопечать отличается высоким пространственным разрешением (30—100 мкм) и не вызывает у клеток механический стресс [7], что может иметь значение при печати такими чувствительными к внешним воздействиям клеточными элементами глаза, как роговичный эпителий и эндотелий или клетки сетчатки. Однако лазерная биопечать, как правило, имеет низкую скорость [8]. Также проблемой является попадание в печатаемый конструкт вещества из энергопоглощающего слоя при его испарении, вследствие чего используется модификация метода, при которой между энергопоглощающим слоем и слоем биочернил вносится дополнительный слой в виде тонкой (25 мкм) металлической фольги, через которую происходит распространение механической энергии от испаряющегося вещества энергопоглощающего слоя, при этом не происходит попадания вещества энергопоглощающего слоя в биочернила [6]. Другой особенностью метода является сложность реализации использования нескольких типов биочернил при печати одной структуры, что может быть важно при печати сложной ткани, имеющей в своем составе клетки нескольких типов, поскольку для каждого типа клеток нужна своя индивидуальная подложка [3]. Тем не менее в отношении печати отдельных структур глаза такой недостаток может не являться столь критичным, это связано с послойной двухмерной организацией его структур [9], что не будет требовать многократной смены и чередования подложек с биочернилами. Вместо этого потребуется лишь последовательная смена ограниченного количества подложек для каждого слоя, в котором находятся только клетки определенного типа.

Струйная биопечать. В процессе струйной (англ. Inkjet) биопечати происходит выброс микрокапель материала, которым осуществляется печать, из специальных форсунок. В термических (термоструйных) биопринтерах в ходе рабочего цикла печати происходит локальный нагрев биочернил и их мгновенное испарение в специальной зоне печатающей головки. Образующийся при этом пузырек газа выталкивает из сопла фиксированный объем биочернил. В пьезоэлектрических биопринтерах для этой цели используется встроенный в печатающую головку пьезоэлектрический актуатор. Также могут использоваться электромагнитные приводы [10]. Струйная биопечать, в отличие от лазерной, имеет более высокую скорость и позволяет использовать единовременную печать разными биочернилами. Однако при печати биочернилами, содержащими живые клетки, последние могут подвергаться воздействию физических факторов (температура, механическое воздействие и т.д.), что может отрицательно сказываться на их выживаемости [3]. Помимо этого небольшой диаметр сопла в системах струйной биопечати обусловливает необходимость использования биочернил с низкой вязкостью и плотностью клеток, что ограничивает размеры и сложность печатаемых тканеинженерных структур ввиду низкой механической прочности получаемого конструкта [11].

Экструзионная биопечать. В экструзионных (микроэкструзионных) биопринтерах материал, которым осуществляется печать, подается непрерывным потоком под давлением. По способу приложения давления к биочернилам для их экструзии выделяются следующие виды экструзионной биопечати: пневматическая, поршневая и шнековая (винтовая). В пневматических системах давление, необходимое для выдавливания биочернил через сопло, создается путем нагнетания в емкость с биочернилами газа (воздуха или азота). Основанные на данном принципе экструзионные биопринтеры являются самыми простыми по конструкции, однако из-за задержки в подаче биочернил, обусловленной сжатием газа [12], их точность ниже, чем у поршневых и шнековых, где давление достигается соответственно при помощи линейного движения поршня, как в шприцевом насосе, либо за счет вращения специального винта [13]. Несмотря на имеющиеся у данного метода ограничения, такие как не самое высокое относительно других методов разрешение печати (в основном 200—1000 мкм) и необходимость в соблюдении компромисса между оптимальными для печати реологическими свойствами и биосовместимостью материалов биочернил, экструзионная биопечать является наиболее распространенной техникой [14], в том числе среди доступных коммерческих систем биопринтинга [15]. Среди изученного F. Stapenhorst и соавторами публикационного материала по теме биопринтинга методу экструзионной биопечати были посвящены 81,82% рассмотренных статей [16]. Экструзионные биопринтеры позволяют осуществлять печать гидрогелями различной вязкости и с большой плотностью клеток (более 108 клеток/мл). Также возможна печать достаточно крупных по размеру структур (сантиметрового порядка) [14]. Для полученных методом экструзионной биопечати конструктов характерна более высокая структурная целостность, что связано с непрерывной подачей материала, наносимого послойно [12]. При этом возможна печать как гидрогелями различных составов, так и клеточными сфероидами [3].

Выбирая ту или иную технологию биопечати для исследований в сфере офтальмологии, наряду с учетом общих моментов, характерных для работы с клетками и биоматериалами (выживаемость клеток в процессе печати, биосовместимость используемых в составе биочернил веществ и т.д.), следует учитывать возможные специфические реакции клеток. Данный аспект иллюстрируется следующим примером: в процессе печати термоструйным биопринтером в клетках эндотелия сосудов человека происходит активация связанного с фактором роста эндотелия сосудов (VEGF) сигнального пути. Клетки, прошедшие через процесс струйной биопечати, демонстрировали повышенную экспрессию таких проангиогенов, как HSP70, интерлейкин-1α (IL-1α), фактор роста эндотелия сосудов А (VEGF-A), интерлейкин-8 (IL-8) и фактор роста фибробластов 1 (FGF-1), что может приводить к интенсификации ангиогенеза в конструктах, полученных методом термоструйного биопринтинга [16, 17]. Поскольку патологический неоангиогенез в различных тканях глаза лежит в основе многих офтальмологических заболеваний [18], такие эффекты термоструйной биопечати могут как быть нежелательными (например, при биопечати роговицы), так и, наоборот, специально использоваться при моделировании патологической неоваскуляризации тканей глаза.

Биоматериалы, используемые для биопечати

Кроме конструкции биопринтера важным вопросом является выбор необходимого состава материала, которым будет осуществляться биопечать. Нередко в этом вопросе оперируют понятием «биочернила», которому дают следующие определения: «комбинация клеток и биоматериалов», «содержащий клетки гидрогель», «материалы, совмещающие пригодность для печати и цитосовместимость», «материалы, имитирующие внеклеточный матрикс» и др. [14]. Кроме содержащего или не содержащего клетки и иные компоненты вещества в качестве биочернил могут выступать и клеточные сфероиды, способные к самоорганизации после процесса печати, — этот подход лежит в основе так называемого бесскаффолдного, или бескаркасного, биопринтинга [19]. В данном разделе будут рассмотрены некоторые биоматериалы, которые могут быть как носителем клеток, находящихся в составе биочернил изначально, так и использоваться в составе бесклеточных биочернил и предназначаться для последующего заселения клетками уже после печати конструкта.

Альгинат. Является полисахаридом естественного происхождения, получаемым из бурых водорослей. Отличается невысокой стоимостью, способностью к биодеградации, высокой биосовместимостью и отсутствием иммуногенности и цитотоксичности [20]. Кроме того, альгинатные гидрогели способны обеспечивать диффузию кислорода и питательных веществ к иммобилизованным в них клеткам [21] благодаря пористой структуре [22]. Для образования альгинатом гидрогелей необходимо наличие в среде мультивалентных катионов (Ca2+), под действием которых происходит кросслинкинг [23]. Альгинатные гидрогели обладают широкими возможностями для химической модификации, также могут быть получены альгинатные гели с различными наполнителями, например углеродными нанотрубками [23]. Тем не менее альгинат натрия обладает рядом свойств и особенностей, обусловливающих его недостатки в качестве материала для биочернил. Хотя альгинат неплохо моделирует механические свойства внеклеточного матрикса [21], в его структуре отсутствуют адгезивные последовательности, из-за чего у иммобилизованных в альгинатном гидрогеле клеток может развиться аноикис — гибель путем апоптоза в условиях отсутствия нормальной адгезии [20]. Поскольку одновалентные катионы способны изменять вязкость альгинатных гелей, имеются проблемы долговременной структурной и механической стабильности биопечатных конструктов. Кроме того, для тканеинженерных имплантатов из альгинатного гидрогеля характерна неустойчивая кинетика биодеградации [20]. Реологические свойства растворов альгината сильно зависят от концентрации и в целом не являются оптимальными для экструзионной биопечати ввиду проблемы с растеканием трехмерных конструктов, что требует внесения в растворы альгината веществ, изменяющих его реологические свойства в нужную сторону (например, оксида графена) [24].

Коллаген. Представляет собой полимер естественного происхождения, имеющий белковую природу и спиральную структуру в виде трех закручивающихся друг вокруг друга α-цепей. Коллаген входит в состав экстраклеточного матрикса, в большом количестве содержится в соединительной ткани [25]. В глазном яблоке коллаген представлен в роговице (как в строме, так и в эпителии и эндотелии), стекловидном теле, стенках сосудов [26], теноновой капсуле и склере [27]. Как биоматериал коллаген характеризуется биосовместимостью, способностью к биодеградации, низким уровнем иммуногенности. Кроме того, в отличие от альгината, коллаген имеет в своей структуре адгезивные последовательности [25]. В физиологических условиях (нейтральный pH, температура 37 °C), благодаря самоорганизации молекул коллагена в фибриллы, его растворы образуют гидрогели [28]. Кинетика процесса гелеобразования и вязкость полученных гелей зависят от молекулярной массы и структуры коллагена, определяемых его типом. Вместе с тем, гидрогели на основе коллагена разных типов могут иметь различную чувствительность к температуре [25]. Недостатком коллагена в качестве материала для биопечати является невысокая механическая прочность получаемых конструктов, для чего применяются различные методы кросслинкинга: химический, физический и биологический. При химическом кросслинкинге между соседними цепями коллагена образуются ковалентные связи под действием таких веществ, как глутаровый альдегид, генепин, N-гидроксисукцинимид и другие соединения, что приводит к повышению механической прочности и снижению иммуногенности, однако эффект носит временный характер и некоторые используемые реагенты обладают цитотоксичностью. Физический кросслинкинг происходит под действием ультрафиолета, гамма-излучения или высоких (свыше 100 °C) температур. В отличие от химического кросслинкинга, после воздействия физических факторов в конструкции не остается обладающих цитотоксическими свойствами веществ, однако данный метод отличается низкой практичностью и рентабельностью при использовании в больших масштабах, а температуры свыше 150 °C вызывают денатурацию коллагена. Биологический кросслинкинг основан на использовании ферментов, например пероксидазы хрена и трансглютаминазы, и отличается высокой эффективностью при отсутствии цитотоксических эффектов [29]. Потенциальной проблемой полученного из тканей млекопитающих коллагена в случае использования его в клинической практике (имплантация в организм изготовленных на его основе тканеинженерных конструкций) является риск передачи человеку таких заболеваний, как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, ящур и птичий грипп. Одним из возможных решений данной проблемы может стать использование коллагена, полученного из тканей морских организмов. Помимо отсутствия риска передачи вышеприведенных заболеваний, такой коллаген обладает целым рядом других интересных преимуществ перед коллагеном млекопитающих: более низкая температура плавления, низкая вязкость и хорошая растворимость в воде [25].

Желатин. Желатин является натуральным полимером, получаемым путем частичного гидролиза коллагена, представляет собой короткие (до 20 аминокислотных остатков) полипептидные цепочки. Будучи производным коллагена, желатин унаследовал многие его свойства. Данный биоматериал обладает хорошей биосовместимостью, стабильностью, имеет сходство с экстраклеточным матриксом [30], низкий уровень антигенности; также, подобно коллагену, желатин имеет адгезивные последовательности. При охлаждении ниже 30 °C вязкость водных растворов желатина увеличивается, происходит агрегация молекул с последующим образованием термообратимого (загустевающего при охлаждении и вновь приобретающего текучесть при нагревании) геля [25, 30, 31]. Интересным отличием желатина от коллагена является то, что, несмотря на невысокую иммуногенность обоих материалов, иммунный ответ, вызываемый желатином, ниже, чем у коллагена, в два раза. Кроме того, иммуногенность желатина не повышается даже после кросслинкинга [30]. Хотя желатин обладает рядом положительных свойств, для тканевой инженерии в целом и для биопринтинга в частности факторами, ограничивающими применение чистого желатина, являются его невысокая механическая прочность и низкая температура гелеобразования (при температуре около 37 °C происходит разрушение конструктов). В связи с этим прибегают к различным модификациям желатина и кросслингингу. Например, добавление метакрилатных групп позволяет получить желатин-метакрилат (GelMA), полимеризующийся под действием ультрафиолета и сохраняющий стабильность при температуре человеческого тела [10, 25].

Гиалуроновая кислота. Представлена линейными полисахаридными цепочками, состоящими из повторяющихся дисахаридов N-ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты, связанных бета-1,3- и бета-1,4-гликозидными связями. Является важным компонентом внеклеточного матрикса, а также принимает участие в регуляции роста и дифференцировки клеток, в особенности нервных [31]. Молекулярная структура полисахаридных цепочек гиалуроновой кислоты такова, что они склонны образовывать молекулярные сети (матрицы), однако их стабильность изначально невысока. При функционализации гиалуроновой кислоты метакрилатными группами и добавлении фотоинициатора возможна полимеризация гидрогелей гиалуроновой кислоты под действием ультрафиолета, что позволяет использовать ее в составе биочернил для 3D-биопринтинга [25].

Хитозан. Линейный полисахарид, получаемый путем деацетилирования хитина членистоногих. Этот материал характеризуется биосовместимостью, способностью к биодеградации, нетоксичностью, высокой вязкостью [31]. Низкая скорость гелеобразования, отсутствие термопластичности и низкая растворимость при нейтральном pH требуют химической модификации хитозана, что легко достигается благодаря наличию аминогрупп. Для биопечати хитозан нередко используют не в чистом виде, а в составе биочернил с другими гидрогелями [25]. Имеются данные о нейропротекторных свойствах хитозана и его благоприятном влиянии на нейральные стволовые клетки [31], что может представлять интерес при лечении и моделировании нейроофтальмологических патологий.

Фибрин. Получается путем гидролиза фибриногена тромбином в процессе свертывания крови. Ковалентно связанные мономеры фибрина образуют волокнистую сеть, по своим свойствам напоминающую мягкие ткани. Важная особенность фибрина — то, что он не только является структурной молекулой, но и обладает существенной биологической активностью. Данный полимер имеет адгезивные последовательности, а также способен связывать большое количество разнообразных факторов роста, включая VEGF [31], что необходимо учитывать при биопечати многих глазных структур, для которых неоваскуляризация является серьезной патологией.

В большинстве современных работ биочернила зачастую изготавливают, комбинируя различные материалы, чтобы добиться оптимальных характеристик. Наиболее часто встречаемые комбинации: альгинат + фибрин, альгинат + желатин, хитозан + желатин, желатин + метакрилат, агароза + коллаген и др. [8].

Основные сферы применения биопринтинга в офтальмологии

На данный момент трансплантация роговицы широко применяется при целом ряде ее патологий, однако необходимость ожидания и подбора донорской роговицы и риск отторжения трансплантата обусловливают актуальность поиска тканеинженерных альтернатив донорскому материалу. Кроме того, печать тканеинженерных роговичных эквивалентов может быть использована для моделирования патологий роговицы, изучения ее физиологии и скрининга фармакологических препаратов [9]. Человеческая роговица является идеальной структурой для тканевой инженерии в силу своей иммунной привилегированности и аваскулярности, благодаря чему она представляет большой интерес и как объект, который может быть изготовлен с применением технологий биопринтинга. Можно выделить два основных направления в работах по биопринтингу роговицы: работы, сфокусированные в первую очередь на печати стромы, и исследования, посвященные получению конструктов, содержащих все слои роговицы [32]. Важными аспектами биопечати роговицы являются обеспечение правильной куполообразной формы и физиологическое расположение слоев коллагеновых волокон в готовом конструкте, для чего могут использоваться данные кератотопограммы взрослого человека при создании трехмерной модели перед печатью и специальные поддерживающие конструкции-формы в процессе печати [8, 33]. В качестве материалов для биочернил могут использоваться композитные составы из коллагена I типа и альгината, желатин-метакрилатные гели, матригель [8, 32]. В различных вариантах тканевых эквивалентов стромы и целой роговицы могут использоваться кератоциты, выделенные из кадаверной роговицы, либо стволовые клетки, полученные различными путями, в том числе лимбальные стромальные стволовые клетки, которые впоследствии могут быть дифференцированы в кератоциты и эпителиальные клетки [8].

В отношении заднего отрезка глаза в первую очередь речь идет о биопринтинге сетчатки. При этом подходы, основанные на использовании скаффолдов, не отличаются эффективностью в восстановлении функций поврежденной сетчатки — требуется заселение конструктов клетками, способными дифференцироваться в фоторецепторы и ретинальный пигментный эпителий, для чего необходимые клетки в составе биочернил могут быть нанесены на специальную пленку, моделирующую мембрану Бруха [8]. Создание подобного гибридного биопечатного конструкта сетчатки описано в работе P. Shi и соавт. (2017) [34]. В приведенной работе использовались клетки человеческой ретинобластомы линии Y79 и клетки ретинального пигментного эпителия человека линии ARPE-19, в состав биочернил входили альгинат и плюроник. Сначала посредством биопринтера на поверхность ультратонкой полимерной мембраны высевались клетки ARPE-19, после чего наносились биочернила с клетками линии Y79. Клетки в полученном конструкте демонстрировали жизнеспособность, что означает возможность использования данного конструкта для моделирования физиологии и заболеваний сетчатки [34]. В работе P. Wang и соавторов был создан многослойный тканеинженерный конструкт, имеющий в своем составе клетки ретинального пигментного эпителия и фетальные клетки-предшественники сетчатки человека. Основой биочернил служил фотополимеризущийся гидрогель на основе модифицированной метакрилатными группами гиалуроновой кислоты, которая является основным компонентом внеклеточного матрикса в сетчатке. В полученном тканевом эквиваленте наблюдалась успешная дифференцировка клеток-предшественников сетчатки в фоторецепторы. Данная разработка представляет интерес для регенеративной медицины, а также, благодаря возможности биопечатного конструкта имитировать свойства внеклеточного матрикса нативной сетчатки, решает одну из сложных задач — культивирование фоторецепторов сетчатки in vitro [35].

«Орган-на-чипе» — микрофлюидное устройство, воспроизводящее in vitro минимальную функциональную единицу органа или системы органов и способное с высокой степенью точности моделировать в заданных контролируемых условиях различные физиологические и патологические процессы и структуры организма. Системы такого рода применяются в том числе для моделирования заболеваний глаза и его вспомогательного аппарата, для изучения его физиологии и для скрининга офтальмологических лекарственных препаратов [5]. Технически «орган-на-чипе» чаще всего представляет собой микрофлюидное устройство в виде пластины из прозрачного материала, в которой имеются микроканалы; реакционные камеры, содержащие в себе живые клетки или тканевые эквиваленты; мембраны, на которых также могут располагаться клетки; микроклапаны и насосы [5, 9]. Применительно к микрофизиологическим системам биопечать применяется как для изготовления одно- или многослойных тканевых конструктов по технологиям, описанным в предыдущих разделах данного обзора, так и для изготовления самой микрофлюидной системы с перфузионными камерами и микроканалами [4]. Кроме того, в зависимости от дизайна микрофизиологической системы методом биопечати могут быть изготовлены сенсоры для регистрации состояния культивируемых в системе тканей и их реакций на различные стимулы. Компоненты для реализации различных воздействий на ткань также могут быть изготовлены при помощи биопринтера [36].

Прогрессирование нейродегенеративных процессов при глаукоме, макулярной дегенерации, катаракте, диабетической ретинопатии и иных заболеваниях, а также травмы и некоторые наследственные заболевания, такие как пигментный ретинит, могут приводить к полной необратимой утрате зрения. В данном случае восстановление зрения может быть достигнуто путем зрительного нейропротезирования, основанного на передаче полученного с электронных сенсоров сигнала, кодирующего изображение, в нервную систему посредством имплантируемых электродных матриц напрямую, минуя поврежденные участки зрительного анализатора [37]. Обеспечение биосовместимости имплантируемых электродов и надежного электрического контакта с тканью является важным аспектом корректной работы зрительного нейропротеза. Кроме того, любое из актуальных мест имплантации (сетчатка, зрительный нерв, зрительная кора) в силу своей геометрической конфигурации обусловливает перспективность создания гибких мультиэлектродных матриц — как для лучшего контакта, так и для меньшей травматизации тканей. Данные задачи могут быть успешно решены путем изготовления имплантируемых мультиэлектродных матриц из биосовместимых токопроводящих гидрогелей методом биопечати. S. Agarwala и соавторами было описано создание биосовместимой гибкой конструкции из гидрогеля на основе желатин-метакрилата, полученной методом экструзионной биопечати и содержащей в себе токопроводящие дорожки, образованные наночастицами серебра. Полученная биоэлектронная конструкция демонстрировала стабильность во влажной среде и электрическую проводимость, достаточную для работы светодиода. Высеянные исследователями на данную конструкцию клетки мышиных миобластов линии C2C12 демонстрировали жизнеспособность и пролиферировали. Конструкция обладает сочетанием прочности и эластичности, позволяющим придавать ей различные пространственные конфигурации [38], что имеет важное значение при имплантации в кору головного мозга, установке в качестве манжеты вокруг нервов или размещении на глазном дне.

Заключение

Биопечать широко применяется в экспериментальных исследованиях в различных областях медицины и биологии, обладая большими перспективами в клинической практике и в сфере регенеративной медицины как мощный инструмент тканевой инженерии. Офтальмология не является исключением. Актуальные и перспективные направления применения биопечати в сфере офтальмологии преимущественно сводятся к созданию тканевых конструктов, воспроизводящих различные части глазного яблока, например роговицу или сетчатку. При этом сами тканевые конструкты могут как быть объектом исследований в сфере регенеративной медицины (что предполагает трансплантацию подобных структур в будущем для восстановления структуры и функции поврежденных частей зрительного анализатора), так и применяться в качестве модельных систем. Отдельно стоит выделить технологию микрофизиологических систем и систем «орган-на-чипе», различные элементы которых также могут быть изготовлены методом биопринтинга. Перспективным направлением может стать применение биопечати для изготовления биосовместимых имплантируемых мультиэлектродных матриц для зрительных нейропротезов.

Среди множества технологий биопечати наиболее часто в настоящее время применяется метод экструзионного биопринтинга, позволяющий использовать большое количество материалов, а также допускающий печать гидрогелями высокой вязкости и с высоким содержанием клеток. В качестве основы для изготовления биочернил могут быть использованы различные материалы, каждый из которых обладает рядом как слабых, так и сильных сторон, в связи с чем их чаще всего используют с различными модификациями (например, желатин-метакрилат).

Учитывая сложность строения органа зрения, нахождение в сравнительно небольшом органе тканей различных типов, технологии биопечати, в особенности по мере повышения их точности и разрешающей способности, обладают большими перспективами как в фундаментальной, так и в клинической офтальмологии и в смежных областях.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail



Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.