Новый гранулированный материал для биопечати органоидов поддерживает самоорганизацию клеток

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско вместе с коллегами создали новую среду для биопечати. В Матригель, стандартную среду для выращивания органоидов, они добавили микрочастицы альгината — натурального полисахарида, который получают из бурых водорослей. 

Продукт компании Corning Life Sciences под коммерческим названием Матригель (Matrigel) — гелеобразный субстрат, который производят клетки саркомы мыши EHS. Матригель имитирует естественный внеклеточный матрикс (reconstituted basement membrane matrice, rBM), обеспечивает необходимые химические и реологические сигналы и считается золотым стандартом для культивирования клеток и органоидов. Однако обычный Матригель не очень хорошо подходит для 3D-биопечати — одного из самых привлекательных направлений клеточных биотехнологий. Он слишком жидкий до полимеризации, слишком жесткий после нее, а временной промежуток, когда его можно использовать для печати, слишком узкий.

Гранулированные гели ранее уже испытывали в качестве материалов для биопечати. Их можно сравнить с влажным песком, из которого лепят фигуры; они легко деформируются при печати, а затем сохраняют форму. Однако гранулированные материалы, которые исследовали до сих пор, недостаточно хорошо поддерживают жизнедеятельность клеток на больших промежутках времени. И хотя они позволяют, например, напечатать линию клеток, процессы активного морфогенеза — самостоятельного образования тканевых структур — в напечатанных кластерах плохо выражены.

Созданный авторами микрогранулированный гель MAGIC (Matrigel-Alginate) лишен этих недостатков. Исследуя развитие эмбрионов, исследователи показали, что для сложной и устойчивой самоорганизации тканей необходимо воздействие соседних тканей и внеклеточного матрикса, которые играют роль и каркаса, и границы для роста. Если окружение слишком мягкое и текучее, развитие становится бесконтрольным, если оно слишком жесткое, развитие останавливается. MAGIC одновременно и поддерживает растущие клетки, и не оказывает излишнего давления. Кроме того, его свойства можно модулировать таким образом, чтобы выполнять биопечать при 4 °C длительное время. При этом богатый химический состав Матригеля обеспечивает морфогенез большинства эпителиальных органоидов.

«Наибольшее значение имело то, как материал со временем релаксирует — то, что мы называем релаксацией напряжений, — говорит руководитель работы Зев Гартнер. — Он должен деформироваться с той же скоростью, с которой ткани меняют свою форму». MAGIC способен к значительной релаксации и существенной деформации на больших временных промежутках.

Исследователи продемонстрировали, что MAGIC подходит как для биопечати, так и для поддержки самоорганизации тканей. Органоиды двенадцатиперстной кишки мыши хорошо росли в новом субстрате. Аналогичные результаты были получены на клетках слюнных желез мышей, сосудов человека, клетках головного мозга человека, полученных из стволовых клеток, и др. При печати клеточной суспензией удавалось формировать сфероиды и цилиндры; среда подходила также для печати органоидами.

С помощью 3D-биопечати на основе среды MAGIC можно создавать массивы органоидов (подобные микрочипам или планшетам с микролунками) для скрининга лекарственных препаратов и других подобных задач. Структура напечатанных органоидов отличается высокой однородностью, отмечают авторы. А через трубкообразные органоиды кишечника мыши, выросшие из напечатанных линий, можно прокачивать жидкость, и они при этом расширяются и сужаются.

Таким образом, новый метод увеличивает как сложность получаемых структур, так и их однородность и воспроизводимость. «Эти результаты закладывают основу для создания еще более сложных и воспроизводимых моделей развития, гомеостаза и заболеваний человека и животных», — пишут авторы.

«Мы не строим ткани, как конструктор Lego, — говорит Гартнер. — Мы размещаем клетки там, где они должны быть, и позволяем их программам развития собирать ткань. Цель состоит в том, чтобы достичь стадии, когда орган начинает строить себя сам».

Изготовленные методом 3D-биопечати мини-плаценты моделируют преэклампсию