Ученые напечатали искусственное ухо прямо внутри мыши — даже без операции. Пригодился видеопроектор и светящиеся наночастицы

Исследователи из Университета Сычуаня провели первую в мире неинвазивную 3D-печать искусственного органа — то есть воссоздали трехмерную структуру органа прямо под кожей модельного животного, без необходимости проводить операцию по имплантации. Органом оказалась миниатюрная копия человеческого уха размером всего в полсантиметра. Практического применения у этого конкретного «мини-уха», конечно, не было. Главное: ученым удалось доказать, что это в принципе возможно. Технология потребовала применения последних разработок нанохимии и показало современное состояние регенеративной медицины и трехмерной печати.

Прежде чем рассказать о новой технологии, следует подчеркнуть, что проблема, которую китайские инженеры попытались с ее помощью решить, вполне реальная и довольно острая. Примерно один из 2-10 тысяч человек в мире рождается с недоразвитой ушной раковиной — это состояние назвается микротией.

Оно может быть более или менее выраженным, и во многих случаех при этом требуется пластическая реконструкция уха — для этого делают хирургическую операцию. Однако всякая операция сопряжена с возможными осложнениями, поэтому неизвазивная реконструкция хряща уха по новой технологии могла бы стать более безопасной опцией для таких детей. Конечно, если сама она не будет давать осложнений. Это только предстоит выяснить.

«Печать сквозь кожу» стала возможной благодаря инфракрасным лазерам, микроскопическим зеркалам и особым наночастицам, светящимся ультрафиолетом

Главная сложность, с которой столкнулись ученые, и которую им все-таки удалось впервые решить, заключается в непрозрачности кожи для обычного видимого света. До сих пор с ней сталкивались не специалисты по регенеративной медицине, а прежде всего нейробиологи. Невозможность увидеть свечение нейронов сквозь кожу, неспособность послать им световой сигнал сквозь череп, — все это сильно осложняет большинство современных экспериментов на мозге и вынуждает ученых имплантировать животным оптические волокна.

Такие интерфейсы, конечно, сковывают движения, меняют поведение животных и чреваты воспалением, инфекцией и другими проблемами. Но с момента изобретения оптогенетики — возбуждения нейронов воздействием света — и до сих пор ученым приходится доставлять свет в мозг только инвазивным путем. И лишь недавно стали появляться попытки избавится от такой зависимости с помощью создания особо светочувствительных белков, возбуждение которых становится возможным прямо сквозь кожу и череп, без каких-либо «проводов».

При попытке провести неинвазивную трехмерную печать сквозь кожу китайские ученые столкнулись с той же проблемой: хотя в лабораториях печать светом хорошо изучена и широко применяется, доставить этот свет под кожу модельному животному оказывается очень сложным. Тем более это сложно потому, что световая 3D-печать требует не любого, а именно коротковолнового, ультрафиолетового излучения, а оно поглощается биологическими тканями особенно сильно.

Решить эту проблему удалось следующим образом. Ученые проникали сквозь кожу с помощью инфракрасного излучения, которое проходит сквозь ткани лучше всего, а ультрафиолет, необходимый для, собственно, «печати», получали уже внутри, на месте. Его добывали с помощью специальных наночастиц, способных накапливать и переизлучать электромагнитную энергию. Эта часть экперимента стала возможной благодаря недавно опубликованной технологии российских исследователей из Института кристаллографии РАН, показавших, как именно конверсию излучения на наночастицах можно эффективно применить для трехмерной печати.

Вкратце, метод работает следующим образом: животному проводят инъекцию под кожу материала для трехмерной печати, состоящего из модифицированного желатина в жидком, неполимеризованном виде, а также специально выращенных хрящевых клеток и наночастиц, выступающих в роли инициатора реакции. Затем на то место, где требуется создать новый орган, слой за слоем проецируется его изображение. Здесь использовался инфракрасный лазер и DLP-проектор на основе микроскопических зеркал — точно такие же используются в обычных бытовых видеопроекторах.

Инфракрасный свет, попадая под кожу животного, возбуждал наночастицы, которые затем сами становились источником излучения — только уже ультрафиолетового. А ультрафиолет, поглощаясь мономерами модифицированного желатина, инициировал затвердение материала именно в той точке, куда попадал свет от проектора — там запускался процесс сборки отдельных молекул в настоящий искусственный хрящ.

Таким образом, после одной инъекции и небольшого лазерного облучения под кожей животных без каких-либо надрезов формировалась трехмерная структура из межклеточного вещества, заполненная характерными для хрящевой ткани клетками — хондроцитами. Последующие наблюдения показали, что искусственное ухо под кожей мышей «чувствовало» себя хорошо и вообще мало чем отличалось от обычного природного хряща. Кроме того, ученые провели дополнительный эксперимент, в котором вместо клеток хряща использовали мышечные клетки, полученные из стволовых и схожим образом восстановили небольшой фрагмент мышцы.

Мышей с «ушами на спине» научились создавать еще в 90-е, но сейчас тот же результат получен на совершенно ином уровне

Среди всех методов создания искусственных органов (и так очень молодых и экспериментальных) новая технология является, безусловно, одной из самых экзотичных и незрелых. Даже создание искусственного уха с помощью такой неинвазивной печати — это скорее «классический тест», принятый в регенеративной медицине, чем уникально подходящее применение именно для такой технологии.

Вообще создание имплантата ушной раковины из искусственного хряща ученые демонстрировали уже многократно — не меняя объекта, но каждый раз совершенствуя технологию его изготовления. Первый и самый известный пример связан с экспериментом братьев Ваканти из Детского госпиталя в Бостоне, в ходе которого полноразмерное искусственное ухо было имплантировано на спину мыши. Технология, описанная в статье 1997 года существенно отличалась от обсуждаемой сегодня — тогда исследователи использовали не трехмерную печать, а специально изготовленную форму, в которой полимер застывал наподобии гипса. Важным отличием от нынешнего эксперимента, конечно, было то, что выращивали искусственное ухо сначала в лаборатории, и лишь затем его имплантировали грызунам. Результат, однако, все равно оказался очень впечатляющим для своего времени — вплоть до того, что фотографии мышей Ваканти с имплантатами ушей стали вирусными и распространялись среди противников ГМО как свидетельство их неимоверной опасности (хотя на самом деле генная модификация в этом эксперименте не использовалась).

В 2016 году тот же «ушной тест» прошла уже технология послойной трехмерной печати, а не заливки в форму. Группа исследователей из Центра регенеративной медицины в Уэйк Форест под руководством Энтони Атала с помощью принтера, напоминающего обычный струйный, напечатала не только ухо, но и фрагмент челюсти, черепа и даже небольшой кусочек мышечной ткани. Само по себе полученное ухо не сильно отличалось от «уха Ваканти» — основой в нем также выступал природный биополимер, в который были включены островки хрящевых клеток. Однако на этот раз метод печати был куда более универсальным относительно разных органов и индивируальным для конкретного пациента. Главное же достижение ученых заключалось в адаптации старой технологии струйной печати к совершенно новой и крайне чувствительной «краске» — живым клеткам.

Как и предыдущие эксперименты, новая технология «печати под кожей» очень похожа своим конечным результатом, но интересна не им, а прежде всего своим подходом. Найдет ли неинвазивная печать свое применение в регенеративное медицине станет понятно только после более обстоятельных и практически-ориентированных экспериментах, в том числе на людях. Однако уже сейчас можно сказать, что наиболее понятным и близким применением для этой технологии может стать эстетическая хирургия, где чем меньше разрезов, тем лучше.