Напечатанная на 3D-принтере кожа повторила многослойную структуру кожи человека

Кожа — самый крупный орган человеческого организма. Ее сложная структура затрудняет создание искусственной кожи, близкой по свойствам к настоящей, однако недавно ученые из США напечатали на 3D-принтере кожу, структура которой повторяла естественную. Она состояла из человеческих клеток шести типов, имела три слоя (эпидермис, дерму и гиподерму) и способствовала заживлению ран у мышей.

Используя метод экструзионной биопечати, исследователи создали многослойную структуру размером 3x3 см, которая повторяла структуру кожи. Она состояла из человеческих клеток и гидрогеля на основе фибриногена. Так, нижний слой состоял из адипоцитов и выполнял функцию гиподермы. Средний слой, дерма, включал фибробласты, дермальные клетки волосяного сосочка (FDPC) и эндотелиальные клетки микрососудов кожи. Верхний слой имитировал эпидермис и состоял из кератиноцитов и меланоцитов.

Испытания полученной структуры in vitro продемонстрировали жизнеспособность 77,7% ± 10,9 клеток на седьмой день. На 13-й и 21-й день количество живых клеток уменьшалось до 58,2% ± 17,6 и 62,0% ± 36,9, соответственно, но при этом жизнеспособность клеток в слоях гиподермы, дермы и базальном эпидермальном слое возрастала, а в поверхностном слое эпидермиса — снижалась. К 52-му дню напечатанная кожа сохраняла специфичность слоев, а через 56 дней после печати в ней были заметны пигментированные области.

Далее искусственную кожу протестировали in vivo. Напечатанные фрагменты культивировали четыре дня, а затем пересаживали мышам на повреждения кожи размером 2,5x2,5 см. У контрольных мышей раны покрывали гидрогелем, не содержащим клеток, или оставляли без лечения. На 14-й день все раны, покрытые напечатанной кожей, полностью затянулись, а на 21-й день наблюдалась полная эпителизация ран, по сравнению с контрольными образцами. У мышей, которым пересаживали напечатанную кожу, к 90-му дню коллагеновые волокна в области раны располагались как в нормальной человеческой коже, напоминая плетение корзины, в то время как в контрольных группах коллагеновые волокна были ориентированы параллельно друг другу и утолщены.

Формирование кровеносных сосудов в заживающей ране крайне важно для полноценного питания регенерирующих тканей. На 42-й день после пересадки напечатанной кожи кровеносные сосуды в области раны были более плотными и меньшего размера, чем в контрольных группах, но к 90-му дню эти показатели нормализовались во всех группах. Кроме того, сосуды в ранах мышей опытной группы включали человеческие эндотелиоциты (CD31⁺-клетки) и перициты (CD146⁺), в то время как в остальных двух группах встречались только единичные перициты. По-видимому, пересаженные в составе кожи эндотелиоциты человека участвуют в васкуляризации регенерирующей ткани, привлекая в нее перициты из организма мыши.

Участки ран, покрытые искусственной кожей, включали большое количество виментин-положительных клеток (обычно это фибробласты и макрофаги), которых не было в области ран у контрольных животных. Во всех группах ученые обнаружили KRT71⁺-клетки (KRT71 — ген кератина), но никаких структур, похожих на волосяные фолликулы, не наблюдалось. В покрытых напечатанной кожей участках присутствовали меланоциты, расположенные по всей дерме, однако образовавшиеся ткани не были пигментированы. Кроме того, в напечатанной коже исследователи обнаружили как человеческие, так и мышиные клетки. Миграция собственных клеток животных в область раны подтверждает интеграцию пересаженного участка в регенерирующую ткань.

Затем ученые напечатали кожу из клеток свиньи и трансплантировали полученные образцы в области ран свиньям. Трансплантацию проводили в двух вариантах — исследователи пересаживали свиньям как полученные из аутологичных клеток фрагменты искусственной кожи, так и аллогенные образцы. Как в опытной, так и в контрольных группах раны полностью заживали к 28-му дню, но при трансплантации искусственной кожи это происходило за счет эпителизации, а в контрольных группах — за счет сжатия раны. Аутотрансплантаты оказались более эффективными, чем аллотрансплантаты: после их пересадки на месте раны формировалась структура, подобная нормальной коже свиньи и содержащая несколько слоев KRT14⁺ базальных кератиноцитов и IVL⁺-поверхностных кератиноцитов (IVL — инволюкрин, белок, синтезирующийся в ходе ороговения кератиноцитов). После пересадки аллотрансплантатов или в контрольной группе, где раны покрывали только гидрогелем, внеклеточный матрикс кожи имел менее естественную структуру с параллельными волокнами.

Авторы работы провели ОТ-ПЦР анализ 84 генов в опытных и контрольных образцах и обнаружили 16 дифференциально экспрессируемых генов при сравнении аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и контрольных образцов. Больше половины этих генов были связаны со структурой и ремоделированием внеклеточного матрикса, а остальные — с воспалительными цитокинами и факторами роста. В аутотрансплантатах экспрессировались гены, направленные на формирование и ремоделирование внеклеточного матрикса, в аллотрансплантатах частично экспрессировались гены, отвечающие за разрушение и ремоделирование внеклеточного матрикса, а гидрогель способствовал деградации внеклеточного матрикса.

Ученые достигли значительного успеха в биопринтинге кожи, создав многослойную структуру, которая повторяет естественное строение кожи и состоит из эпидермиса, дермы и гиподермы. Трансплантаты с такой архитектурой способствовали эпителизации ран, ускоряли заживление и делали его более эстетичным — все это важно для регенеративной медицины и восстановления кожи у будущих пациентов.

Напечатанная на 3D-принтере кора больших полушарий прижилась в эксплантах мозга мышей