Когда кто-то слышит слово «биопринтер», он, скорее всего, представляет себе громоздкое оборудование, гудящее на столе в ярко освещённой лаборатории. Но исследователи из Школы инженерии Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) перевернули это представление, создав, по их словам, первый в мире «проглатываемый биопринтер» размером с таблетку.
Используя магниты и инфракрасный лазер, учёные продемонстрировали, что могут дистанционно направлять капсулу (размером примерно с крупную таблетку) к язвам в желудочно-кишечном тракте. Оказавшись на месте, принтер выпускает «биологические чернила», способствующие восстановлению здоровых клеток.
Первые испытания показывают, что крошечный биопринтер может помочь заживить повреждения тканей желудочно-кишечного тракта и, возможно, остановить кровотечения — всё это без необходимости инвазивной хирургии. Хотя исследования всё ещё находятся на ранней стадии, учёные говорят, что эта модель может стать «основой» для совершенно нового метода неинвазивного лечения.
Описание в журнале Advanced Science
Создание принтера размером с желейную конфету
Идея проглатываемого биопринтера возникла из-за серьёзного препятствия в лечении желудочно-кишечных заболеваний. В 2019 году примерно 2,56 миллиона человек во всём мире умерли от таких заболеваний, многие из которых связаны с воспалительными заболеваниями кишечника и язвенным колитом.
Текущие схемы лечения обычно направлены на устранение симптомов, а не на устранение первопричины, часто связанной с повреждением тканей. Это связано с тем, что хирургическое восстановление такого повреждения обычно требует инвазивных процедур. Но разрезание пациента — это не пустяковая операция, она часто сопряжена с потенциально рискованным применением анестезии и значительно увеличивает риск инфекции.
Но что, если бы терапевтическое средство могло помочь заживить эту ткань изнутри? Именно здесь на помощь приходит биопринтер размером с таблетку.
Определение терминов
В своей статье исследователи определяют биопринтер как «по сути, управляемый дозатор, который перемещается по крайней мере по двум осям для нанесения биоматериалов». Используя это определение в качестве основы, они создали пружинную капсулу с «биологическими чернилами», которую называют системой магнитного энтеролюминального осаждения (MEDS).
Принцип работы MEDS
Конструкция MEDS работает примерно так же, как пружинный механизм шариковой ручки. Капсула наполнена «биологическими чернилами», полученными из морских водорослей, которые служат каркасом для роста здоровых клеток. Чернила выпускаются после того, как их продвигает вперёд внутренняя пружина, подобно механизму нажатия ручки для извлечения чернил. Как и в ручке, пружина возвращается в исходное положение.
После того как чернила выпущены, исследователи говорят, что хирург может использовать систему магнитного наведения для извлечения капсулы «тем же оральным путём».
Что делает MEDS особенно инновационной, так это то, что весь процесс происходит без какой-либо внутренней электроники или привязей, соединяющих его с внешней стороной тела пациента. Вместо этого небольшой магнит, встроенный в капсулу, позволяет внешнему роботизированному манипулятору в операционной «направлять» принтер к месту назначения.
После установки пружина активируется ближним инфракрасным (NIR) излучением, которое запускается, когда хирург направляет на неё NIR-лазер извне тела.
После выхода из капсулы чернила наносятся по схеме вокруг повреждённой ткани, чтобы обеспечить максимальное покрытие. В случае язвы чернила защищают рану от воздействия желудочного сока и могут быть объединены с дополнительными терапевтическими средствами для ускорения заживления.
Исследователи испытали устройство на двух искусственных язвах в моделируемой ткани желудка. Они также использовали аналогичную установку для моделирования кровотечения. Когда биопринтер был задействован, он смог выдавить герметик и вызвать коагуляцию, эффективно закрыв смоделированное кровотечение.
«В наших контролируемых лабораторных экспериментах наши биочернила, содержащие клетки, сохраняли свою структурную целостность более 16 дней, что говорит об их потенциале в качестве «микробиореактора», который может высвобождать факторы роста и привлекать новые клетки для заживления ран», — сказал в заявлении аспирант Санджай Манохаран.
Выход биопринтеров за пределы организма
Исследователи надеются, что этот новый метод терапевтической доставки однажды можно будет использовать для лечения различных заболеваний, как желудочно-кишечных, так и других, которые в противном случае потребовали бы инвазивных хирургических процедур. Они уже планируют расширить свои испытания, включив в них кровеносные сосуды и другие ткани за пределами брюшной полости. Для этого капсулу, вероятно, оснастят более сильными магнитами для увеличения дальности управления.
Пока неясно, когда процедура с использованием этого биопринтера станет доступной для широкой публики. Клинические исследования на людях ещё предстоит провести, и даже после этого предстоит пройти долгий путь, прежде чем его можно будет считать жизнеспособным вариантом лечения. Тем не менее, участвующие исследователи оптимистично настроены в отношении того, что MEDS «устанавливает основные инженерные принципы» для будущей разработки неинвазивных систем биопечати.