Обзор стратегий биофабрикации с разрешением на уровне одной клетки

Современные достижения в биофабрикации с экстремально высоким разрешением (например, на уровне одной клетки) значительно расширили её возможности и открыли новые пути для тканевой инженерии.

Учёные из Университета Цинхуа представили перспективный обзор достижений в биофабрикации инженерных живых систем с разрешением на уровне одной клетки. Исследовательская группа доктора Оуянга сосредоточена на разработке технологий 3D-биопечати и передовой биофабрикации для тканевой инженерии и регенеративной медицины. Поскольку клетки являются базовыми единицами живых систем, создание инженерных систем с учётом характеристик отдельных клеток важно для воссоздания микроокружения, характерного для нативных тканей.

Этот обзор, опубликованный в International Journal of Extreme Manufacturing, рассматривает методы биофабрикации, основанные на модульной сборке клеточных строительных блоков с характеристиками отдельных клеток в разных измерениях, и представляет введение в самые последние достижения.

"Гетерогенность с разрешением на уровне одной клетки — это обычное явление в естественных живых системах, поэтому техники манипулирования отдельными клетками для реконструкции инженерных живых систем ценны. Однако необходимо тщательно учитывать такие факторы, как механическая прочность продуктов и эффективность производства, а также важно выбирать подходящие строительные блоки на основе одной клетки для конкретного применения", — заявил доктор Лян Оуян, доцент кафедры машиностроения Университета Цинхуа и старший автор обзора.

"В принципе, размер строительных блоков определяет минимальный размер элемента структуры, и сборка крупномасштабной клеточной структуры из более мелких блоков занимает больше времени. Чтобы одновременно достичь высокого разрешения и эффективности производства, мы предлагаем стратегию модульной сборки, позволяющую совместно собирать строительные блоки разных размеров для формирования желаемых гетероструктур", — сказал Дэчжи Чжоу, аспирант и первый автор статьи.

Каждый тип ткани/органа обладает уникальной структурой для реализации своей функции. Например:

• Панкреатические островки состоят как минимум из пяти типов клеток, формирующих особые соединения в пределах размеров в несколько клеток, чтобы поддерживать гомеостаз глюкозы в крови посредством межклеточного взаимодействия.
• Скелетная мышца — это анизотропная ткань, содержащая пучки мышечных волокон, заключённые в эпимизий; функция мышц обеспечивается упорядоченным переходом между расслаблением и сокращением.
• Альвеола — ещё один пример, представляющий собой многослойные стенки, окружённые сетью капилляров для газообмена. Уникальная многослойная структура толщиной в несколько микрометров может обеспечить большую площадь поверхности (100–140 м²) для эффективного газообмена.

Таким образом, фундаментальной задачей является воссоздание этих топологических структур для обеспечения функции инженерных живых систем.

"Это как играть в LEGO: мы выбираем подходящие блоки и складываем их вместе, чтобы получить то, что хотим", — сказал Чжоу. Такой подход чрезвычайно полезен для построения сложных структур, имитирующих естественные живые системы. "Но для учёных создание подходящих живых строительных блоков и их контролируемая сборка остаются постоянной проблемой", — добавил доктор Оуян.

Основываясь на принципе «дисперсия-осаждение», сложные живые системы можно рассматривать как сборку различных дискретных элементов, включая строительные блоки с характеристиками одной клетки и блоки из популяции клеток/биоматериала. Затем можно создать аналоги каждого дискретного элемента и собрать их вместе, чтобы воссоздать желаемый объект.

"Мы считаем, что комбинация этих двух типов строительных блоков может способствовать созданию сложных тканей как с физико-химическими, так и с биологическими характеристиками", — заключил Чжоу.