Įsivaizduokite, jei gydytojai galėtų tiksliai atsispausdinti miniatiūrines kapsules, galinčias pristatyti ląsteles, reikalingas audinių remontui tiksliai ten, kur jų reikia viduje plakanti širdis. „Caltech“ vadovaujama mokslininkų komanda žengė reikšmingą žingsnį link šio galutinio tikslo, sukūrusio metodą 3D spausdinimo polimerams konkrečiose vietose giliai gyvuose gyvūnuose. Ši technika priklauso nuo lokalizacijos garso ir jau buvo naudojama spausdinant polimerų kapsules selektyviam vaistui tiekti, taip pat į klijus panašius polimerus, kad būtų galima užsandarinant vidines žaizdas.
Anksčiau mokslininkai panaudojo infraraudonųjų spindulių šviesą polimerizacijai, pagrindinių vienetų ar monomerų susiejimui gyvų gyvūnų polimerams. „Tačiau infraraudonųjų spindulių įsiskverbimas yra labai ribotas. Jis pasiekia tik tiesiai po oda”, – sako Wei Gao, „Caltech“ medicinos inžinerijos profesorius ir paveldo medicinos tyrimų instituto tyrėjas. „Mūsų naujoji technika pasiekia gilųjį audinį ir gali atspausdinti įvairias medžiagas, skirtas plačiam taikymui, išlaikant puikų biologinį suderinamumą.”
Gao ir jo kolegos praneša apie savo naują „In vivo 3D“ spausdinimo techniką žurnale Mokslas. Kartu su bioadheziniais geliais ir polimerais vaistų ir ląstelių tiekimui, popieriuje taip pat aprašomas bioelektrinių hidrogelių spausdinimo technikos naudojimas, kuris yra polimerai su įterptomis laidžiomis medžiagomis, skirtoms naudoti vidiniame fiziologinių gyvybinių požymių stebėjime, kaip ir elektrokardiogramos (ECG). Pagrindinis tyrimo autorius yra Elham Davoodi, Jutos universiteto mechanikos inžinerijos docentė, baigusi darbą, būdamas podoktorantūros mokslininku Caltech.
Naujos idėjos kilmė
Norėdamas išsiaiškinti būdą, kaip realizuoti giliųjų audinių spausdinimą in vivo, Gao ir jo kolegos pasuko į ultragarsą – platformą, plačiai naudojamą biomedicinoje giliųjų audinių įsiskverbimui. Bet jiems reikėjo būdo, kaip sujungti kryžminimo ar monomerų surišimą tam tikroje vietoje ir tik tada, kai norite.
Jie sugalvojo naują požiūrį: sujunkite ultragarsą su žemos temperatūroje jautriomis liposomomis. Tokios liposomos, sferinės ląstelės primenančios pūslelės su apsauginiais riebalų sluoksniais, dažnai naudojami tiekti vaistus. Naujame darbe mokslininkai pakrovė liposomas su kryžminimo agentu ir įterpė juos į polimero tirpalą, kuriame yra polimero monomerų, kuriuos jie norėjo atspausdinti, vaizdavimo kontrastinis agentas, kuris atskleistų, kai įvyko kryžminimas, ir krovinių, kuriuos jie tikėjosi pristatyti, pavyzdžiui, terapinį vaistą. Gali būti įtraukti papildomi komponentai, pavyzdžiui, ląstelės ir laidžios medžiagos, tokios kaip anglies nanovamzdeliai ar sidabras. Tada kompozicinis biologas buvo švirkščiamas tiesiai į kūną.
Pakelkite temperatūrą tik prisilietimu, kad suaktyvintumėte spausdinimą
Liposomų dalelės yra jautrios žemai temperatūrai, o tai reiškia, kad naudojant fokusuotą ultragarsą, kad padidintų mažo tikslinės srities temperatūrą maždaug 5 laipsnių Celsijaus, mokslininkai gali sukelti savo naudingumo apkrovą ir inicijuoti polimerų spausdinimą.
„Pakanka padidinti temperatūrą keliais laipsniais Celsijaus, kad liposomų dalelė išlaisvintų mūsų kryžminimo agentus“, – sako Gao. „Kai išleidžiami agentai, ten įvyks lokalizuota polimerizacija ar spausdinimas.”
Komanda naudoja dujų pūsleles, gautas iš bakterijų kaip vaizdo kontrasto agentas. Vezikulės, ore užpildytos baltymų kapsulės, stipriai rodomos ultragarso vaizduose ir yra jautrios cheminiams pokyčiams, kurie vyksta, kai skystas monomero tirpalas sukryžiuoja, kad sudarytų gelio tinklą. Vezikulės iš tikrųjų keičia kontrastą, aptiktą atliekant ultragarsinį vaizdą, kai įvyksta transformacija, leisdamos mokslininkams lengvai nustatyti, kada ir tiksliai ten, kur įvyko polimerizacijos kryžminimas, leidžiant jiems pritaikyti gyvų gyvūnų atspausdintus modelius.
Komanda naują techniką vadina giliųjų audinių garso spausdinimo (DISP) platforma.
Kai komanda panaudojo DIP platformą, norėdama spausdinti polimerus, pakrautus su doksorubicinu – chemoterapiniu vaistu, šalia pūslės naviko, kelias dienas rado žymiai daugiau naviko ląstelių mirties, palyginti su gyvūnais, kurie vartojo vaistą tiesiogiai įpurškiant vaistų sprendimus.
„Mes jau parodėme mažame gyvūne, kad galime atspausdinti narkotikus įvežtus hidrogelius, skirtus gydyti naviką“,-sako Gao. „Kitas mūsų etapas yra pabandyti atspausdinti didesnį gyvūnų modelį ir, tikiuosi, artimiausiu metu galime tai įvertinti žmonėms.”
Komanda taip pat mano, kad mašinų mokymasis gali pagerinti „DisP“ platformos sugebėjimą tiksliai rasti ir pritaikyti tikslingą ultragarsą. „Ateityje, padedami AI, norėtume, kad galėtume savarankiškai paskatinti didelio tikslumo spausdinimą judančiuose organuose, tokiuose kaip plakanti širdis“,-sako Gao.
Šis darbas buvo paremtas Nacionalinių sveikatos institutų, Amerikos vėžio draugijos, Heritage Medical Research Institute ir UCLA iniciatyvos „Challenge“ finansavimu. Fluorescencinė mikroskopija buvo atlikta pažangios šviesos mikroskopijos/spektroskopijos laboratorijos ir Leica kompetencijos centre Kalifornijos nanosistemų institute UCLA.
Nuoroda į informacijos šaltinį