Технологию 3D-печати применили для создания моделей молочной железы

Грудное молоко играет ключевую роль в развитии младенца, не только обеспечивая питательными веществами, но и поддерживая иммунную функцию и формируя кишечную микробиоту. Тем не менее наше понимание процессов лактации остается неполным, во многом потому, что лактацию сложно изучать in vitro. Молочная железа — сложная структура, образованная множеством взаимосвязанных типов клеток, которую затруднительно воссоздать в лабораторных условиях. Полученные от пациентов органоиды недолго сохраняют жизнеспособность и слишком вариабельны для проведения контролируемых экспериментов, а мышиные клетки значительно отличаются от человеческих. Ученые из Швейцарии и США разработали технологию 3D-печати, позволяющую создавать модели молочной железы произвольной формы, содержащие человеческие клетки.

Клетки для культивирования получили с помощью сравнительно новой технологии — выделения эпителиальных клеток молочной железы (MEC) из грудного молока. Этот метод неинвазивен, а клетки, полученные таким образом, способны к пролиферации в культуре. Авторы исследования подтвердили, что в популяции MEC, полученной из грудного молока, присутствуют как люминальные (секретирующие молоко), так и базальные клетки, и они сохраняют свой фенотип при культивировании. Примечательно, что клетки не только продолжали экспрессировать рецепторы гормонов, но и вырабатывали пролактин — до сих пор это не было показано на культивируемых клетках.

Следующим шагом стало создание материала для печати скаффолда (каркаса), который затем будут высеваться клетки. Авторы выбрали метод 3D-печати со светоотверждением: на емкость с жидкими светочувствительными биочернилами послойно проецируется изображение желаемой модели, биочернила полимеризуются и затвердевают, после чего жидкие остатки смываются. Такой метод позволяет создавать фигуры сложной формы с высоким разрешением.

Биочернила изготовили из ткани молочной железы коровы: удалили клеточный компонент, жири, ядра клеток и двухцепочечную ДНК, а также очистили раствор центрифугированием. В итоге была получена прозрачная жидкость, богатая низко- и высокомолекулярными белками, включая различные типы коллагена. Для придания светочувствительных свойств в нее добавили фотоинициатор на основе рутения и пероксодисульфата натрия (при воздействии света в его присутствии белки биочернил сшиваются по остаткам тирозина). Также авторы дополнительно добавили в смесь коллаген для оптимизации физических свойств продукта.

В первичных тестах MEC из грудного молока высевали на цилиндры, распечатанные биочернилами, и клетки успешно колонизировали поверхность цилиндров. После этого авторы напечатали модель с протоками и альвеолами, имитирующими пространственную организацию молочной железы. И в этом случае MEC колонизировали поверхность альвеол, формируя моноклеточный слой. Клетки экспрессировали молочные белки и образовывали капли, содержащие бета-казеин, а также выделяли коллаген на поверхность напечатанной модели.

Авторы экспериментировали с жесткостью модели. При высевании на более мягкий материал клетки формировали ветвящиеся структуры, проникающие внутрь скаффолда. В то же время на более жестком субстрате, соответствующем плотности тканей молочной железы, клетки оставались внутри альвеол.

Наконец, анализ методом ПЦР в реальном времени подтвердил экспрессию генов, связанных с лактацией (STAT5, STAT6, ELF5 и др.) в клетках, колонизировавших напечатанные модели.

Таким образом, с помощью 3D-печати можно создавать модели для изучения лактации у человека (например, чтобы исследовать ответ на гормоны пролактин и окситоцин) и биологии молочной железы в целом. Бесклеточная природа скаффолда придает модели дополнительную гибкость — его можно засевать клетками, полученными как из здоровых, так и из больных тканей.