3D-печатная кожа заживляет раны и содержит прекурсоры волосяных фолликулов

Жировая ткань — это ключ к 3D-печати многослойной живой кожи и, возможно, волосяных фолликулов, утверждают исследователи, которые недавно использовали жировые клетки и поддерживающие структуры из клинически полученных человеческих тканей для точной коррекции повреждений у крыс.

Это достижение может иметь последствия для восстановительной хирургии лица и даже для лечения роста волос у людей.

Результаты работы команды опубликованы в журнале Bioactive Materials. В феврале Бюро по патентам и товарным знакам США выдало команде патент на технологию биопечати, разработанную и использованную в данном исследовании.

Реконструктивные операции по исправлению травм лица или головы, полученных в результате травм или заболеваний, обычно несовершенны, что приводит к образованию рубцов или постоянной потере волос, — говорит Ибрагим Т. Озболат, профессор инженерных наук и механики, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Penn State, который возглавлял международное сотрудничество, проводившее эту работу.

В этой работе мы демонстрируем биопринт кожи полной толщины с потенциалом роста волос у крыс. Это еще один шаг к тому, чтобы добиться более естественной и эстетичной реконструкции головы и лица у людей.

Ранее ученые уже делали 3D-биопринтинг тонких слоев кожи, но Озболат и его команда — первые, кто интраоперационно напечатал полную, живую систему из нескольких слоев кожи, включая самый нижний слой или гиподерму. По словам исследователей, интраоперационная печать означает возможность печатать ткань во время операции, а значит, этот подход может быть использован для более быстрого и беспроблемного восстановления поврежденной кожи. Верхний слой — эпидермис, который служит видимой кожей, — формируется при поддержке среднего слоя самостоятельно, поэтому не требует печати. Гиподерма, состоящая из соединительной ткани и жира, обеспечивает структуру и поддержку черепа.

Гиподерма непосредственно участвует в процессе превращения стволовых клеток в жир, — говорит Озболат.

Этот процесс имеет решающее значение для нескольких жизненно важных процессов, включая заживление ран. Он также играет роль в циклическом развитии волосяных фолликулов, в частности, способствует росту волос.

Исследователи начали с человеческой жировой ткани, полученной от пациентов, перенесших операцию в Медицинском центре Милтона С. Херши (Penn State Health Milton S. Hershey Medical Center). Дино Равник (Dino J. Ravnic), доцент кафедры пластической хирургии Медицинского колледжа штата Пенсильвания, возглавил свою лабораторию, чтобы получить жир для извлечения внеклеточного матрикса — сети молекул и белков, которые обеспечивают структуру и стабильность ткани — для изготовления одного из компонентов биоинка.

Команда Равнича также получила из жировой ткани стволовые клетки, которые способны превращаться в несколько различных типов клеток, если им создать правильную среду, для изготовления другого компонента биоинка. Каждый компонент загружался в один из трех отсеков биопринтера. Третий отсек был заполнен раствором для свертывания крови, который помогает другим компонентам правильно связываться с поврежденным участком.

Три отсека позволяют нам печатать смесь матрикса и фибриногена вместе со стволовыми клетками с точным контролем, — говорит Озболат.

Мы печатали непосредственно в месте повреждения с целью формирования гиподермы, которая помогает заживлению ран, образованию волосяных фолликулов, регулированию температуры и многому другому.

Они достигли как гиподермы, так и дермы, причем эпидермис сформировался в течение двух недель самостоятельно.

Мы провели три серии исследований на крысах, чтобы лучше понять роль жирового матрикса, и обнаружили, что совместная доставка матрикса и стволовых клеток имеет решающее значение для формирования гиподермы, — говорит Озболат.

Невозможно эффективно использовать только клетки или только матрикс — это должно быть одновременно.

Они также обнаружили, что гиподерма содержит зачатки — начальную стадию формирования ранних волосяных фолликулов. По словам исследователей, хотя жировые клетки не вносят непосредственного вклада в клеточную структуру волосяных фолликулов, они участвуют в их регуляции и поддержании.

В наших экспериментах жировые клетки, возможно, изменили внеклеточный матрикс, сделав его более благоприятным для образования пуха, — говорит Озболат.

Мы работаем над тем, чтобы улучшить эту ситуацию и добиться созревания волосяных фолликулов с контролируемой плотностью, направленностью и ростом.

По словам Озболата, способность точно выращивать волосы в травмированных или больных местах может ограничить естественность восстановительной хирургии. По его словам, эта работа дает «надежду на будущее», особенно в сочетании с другими проектами его лаборатории, связанными с печатью костей и изучением того, как подобрать пигментацию для разных оттенков кожи.

Мы считаем, что это может найти применение в дерматологии, трансплантации волос, пластических и реконструктивных операциях — это может привести к гораздо более эстетичному результату, — заключает Озболат.

Благодаря возможности полностью автоматизированной биопечати и совместимым материалам клинического уровня, эта технология может оказать значительное влияние на клиническое применение точно восстановленной кожи.

04.03.2024