Изследователи, финансирани от ЕС, разработиха метод за 3D биопринтиране на жива костна, мастна и мускулна тъкан в лабораторни условия. Технологията открива нови перспективи — от изследване на левкемията до производство на култивирано месо.
Автор: Михаела Несварова
Природата е усъвършенствала изкуството да изгражда структури от живи клетки в продължение на милиарди години. Днес екип от изследователи се учи от този процес и търси начини да го ускори.
За Масимо Васали, професор по биоинженерство в Университета в Глазгоу, целта е не само да се разбере как се образуват живите тъкани, а и как те могат да бъдат пресъздадени в лабораторни условия.
Васали е научният координатор на PRISM-LT — петгодишен проект, финансиран от ЕС, който продължава до 2027 г. Екипът разработва платформа за 3D биопринтиране, с помощта на която могат да се създават сложни живи тъкани, като приложенията на технологията варират от биомедицински изследвания до производство на култивирано месо.
В основата на проекта стои концепция, която звучи почти футуристично: инженерно създадени живи материали или ELM.
Това са материали, изработени частично или изцяло от живи клетки — включително микроорганизми като бактерии или гъбички — които могат да растат, да реагират и да се адаптират към заобикалящата ги среда. За разлика от традиционните статични материали ELM могат сами да се организират в структури и да се самовъзстановяват.
„Инженерно създадените живи материали могат да притежават допълнителни, динамично променящи се свойства, които просто не можем да възпроизведем при традиционните статични материали“, посочва Васали.
Изграждане с живи клетки
ELM могат да преобразят редица отрасли — от здравеопазването до производството на храни, но за да се превърне този потенциал в реалност, трябва да се реши един труден биологичен проблем: как живите клетки да бъдат отпечатани в сложни структури, без да загинат и без да се изгуби контролът върху развитието им.
Екипът на PRISM-LT търси решение, като изгражда живи тъкани от миниатюрни капсули, съдържащи живи клетки и подобен на гел носещ материал, известен като биомастило.
„Вместо да отпечатваме непрекъснат поток от биомастило, работим с капсулирани живи градивни елементи“, обяснява Лаура Мартинели, координатор на проекта PRISM-LT и главен изпълнителен директор на In Society — научноизследователска организация със седалище в Удине, Италия.
„Тези капсули могат да бъдат прецизно позиционирани с помощта на роботизирана ръка или да бъдат отпечатвани слой по слой, за да се създадат сложни тъканни архитектури.“
При конвенционалните методи клетките се отпечатват в непрекъснат поток от материал, без да се използват биологичните насочващи механизми, които живите микроорганизми могат да осигурят. При новия подход всяка капсула представлява самостоятелна биологична единица, която съдържа както носещия материал, така и специално модифицирани микроорганизми, които направляват развитието на клетките.
Микроорганизмите са генетично модифицирани така, че да изпълняват ролята на своеобразни биологични водачи. Те разпознават момента, в който стволовите клетки — клетки, способни да се превърнат в различни видове тъкани — започват да се диференцират, и реагират, като отделят химични сигнали, известни като растежни фактори, които ги насочват към желания вид тъкан.
Самият производствен процес е бърз — от няколко минути до около час. Следващият етап обаче изисква повече време: приблизително триседмичен период на съзряване, през който стволовите клетки се превръщат в костна, мастна или мускулна тъкан. Засега екипът може да произвежда тънки тъканни структури с площ от около един квадратен сантиметър, като следващата цел е създаването на триизмерен блок с обем един кубичен сантиметър.
Това, което прави нещата особено сложни, е, че процесът изисква поставянето в една и съща среда на живи компоненти, които по природа не принадлежат един към друг.
„Трябва да създадем симбиотична връзка между две системи, които не са приспособени да живеят заедно, например дрожди и стволови клетки“, посочва Васали. „Основното предизвикателство е да се създадат условия, които да са достатъчно благоприятни както за дрождите или бактериите, така и за стволовите клетки по време на тяхното диференциране.“
Именно любопитството към това взаимодействие поставя началото на проекта. „Започнахме тези изследвания, защото искахме да разберем как протича това взаимодействие“, казва Васали. „По същество така е протекла и еволюцията. Едноклетъчните организми са взаимодействали и са еволюирали, за да създадат природата, която познаваме днес.“
От костния мозък до трапезата
Изследователите работят върху пресъздаването на два конкретни вида тъкан. Първата е зоната на контакт между костната и мастната тъкан в костния мозък, която ще послужи за биомедицински изследвания.
Втората представлява структури от мускулна и мастна тъкан, възпроизвеждащи характерните мастни жилки, които придават на истинското месо неговата текстура и вкус — качество, което отдавна убягва на култивираното или отгледаното в лаборатория месо.
Платформата ще се използва и за създаване на миниатюрни тъканни модели, имитиращи структурата на човешките органи, като те могат да намерят приложение при изпитването на лекарства и за развитието на персонализираната медицина.
„Целта на проекта е да се създаде платформа, с която да могат да се конструират различни видове тъкани за съвсем различни приложения, но въз основа на едни и същи принципи“, заявява Мартинели.
В областта на здравеопазването акцентът е върху изграждането на триизмерни модели на костен мозък, чрез които да се изследват лекарства за заболявания, засягащи тази тъкан, като например левкемия.
В хранителната сфера пък постигането на подходящо съотношение на мазнините е от голямо значение за приемането на продукта от потребителите. „Благодарение на нашата технология за биоприниране можем да постигнем правилната консистенция на алтернативните меса, което създава възможност за пускането им на пазара“, отбелязва Мартинели.
За да стигне технологията до широката общественост, обаче ще е необходимо време. „Все още сме далеч от приложението им в реалния живот“, казва тя. „Фокусираме се върху принципите и механизмите, за да видим какво е възможно. Въпреки това вече отчитаме бъдещите предизвикателства.“
Възприятието на потребителите е едно от тези предизвикателства. При разработването на култивирано месо изследователите са избрали да работят с дрожди, а не с бактерии. „Потребителите трудно биха приели факта, че месото е произведено с помощта на бактерии“, посочва Мартинели.
Отвъд лабораторията: границите на регулаторната рамка
Научният напредък е само част от предизвикателството. Въвеждането на инженерно създадените живи материали в медицината или производството на храни също ще изисква нов подход към регулаторната уредба.
Тъй като ELM съчетават живи клетки и, в някои случаи, генетично модифицирани микроорганизми, те трудно се вписват в действащите регулаторни рамки, които са създадени за конвенционалните лекарства или стандартните хранителни продукти, а не за материалите, които в известен смисъл са живи.
В сътрудничество с Европейския съвет по иновациите екипът вече води диалог с регулаторните органи, включително Европейската агенция по лекарствата, за да проучи какви правила и одобрения може да са необходими в крайна сметка за тези материали.
„Трябва да изградим нов подход към тази технология“, отбелязва Мартинели. „Сътрудничеството ни помага да проправим път към използването на ELM.“
Васали допълва, че ако намерят широко приложение, тези материали биха могли да бъдат „изключително мощен инструмент“. „Когато започнахме проекта, си задавахме два основни въпроса: осъществимо ли е това и има ли потенциал да се прилага в голям мащаб? Сега можем да кажем, че това е осъществимо.“
Следващото предизвикателство е възможността за разрастване. Ако екипът успее да се справи с него, ще направи още една крачка към бъдеще, в което живите материали ще заемат място до конвенционалните, които днес приемаме за даденост.
Първоначално статията е публикувана в Хоризонт — списанието на ЕС за научни изследвания и иновации.
Изследването, описано в настоящата статия, е частично финансирано от Европейския съвет по иновациите (ЕСИ).
Повече информация
