Одна вспышка красного света может проверить здоровье биопечатной ткани и имплантатов

Использование трёхмерных принтеров для создания сложных структур из биосовместимых материалов, которые могут включать живые клетки, имеет потенциал революционизировать медицину. Этот процесс — трёхмерная биопечать — привёл к прорывам в тканевой инженерии, медицинских имплантатах и реконструктивной хирургии и может в итоге позволить создание трансплантируемых человеческих органов.

Несмотря на эти достижения, исследователи имеют мало способов точно отследить здоровье созданных ими структур. По мере того как инженеры тканей стремятся создавать более крупные и сложные структуры — такие как полностью трансплантируемые органы — это становится всё более проблематичным.

«Самая большая проблема — мониторинг здоровья клеток, которые мы выращиваем. Существует очень ограниченное количество технологий для измерения этих параметров», — сказал д-р Вакас Салим, получивший докторскую степень в Техасском университете A&M в отделении биомедицинской инженерии. «Возможности мониторинга в реальном времени чрезвычайно ограничены, громоздки и инвазивны. Вы должны проколоть и повредить структуру, чтобы измерить уровни метаболитов».

Салим создал потенциальное решение. Вместе с д-ром Майклом Макшейном и коллегами-исследователями он разработал метод размещения микроскопических датчиков внутри печатаемого материала, позволяющий исследователям измерять уровни питательных веществ — и делать вывод о здоровье клеток на основе этой информации — используя только свет. Их исследование опубликовано в Advanced Functional Materials.

«Мы интегрируем датчики именно в том месте, откуда мы хотим получить информацию», — сказал Макшейн, профессор биомедицинской инженерии и глава отделения. «Нам не нужно проводить физический отбор проб или какое-либо прободение ткани. Мы можем передавать свет в материал — даже сквозь кожу в случае имплантатов — и это позволит нам неинвазивно контролировать, что происходит внутри».

Частицы датчиков являются фосфоресцентными, то есть они поглощают и затем излучают свет, подобно светящимся в темноте материалам, используемым в детских игрушках. При воздействии света от недорогого красного светодиода частицы датчика поглощают этот свет, а затем излучают собственный свет, модифицированный их окружением. Весь процесс длится всего миллисекунды — слишком быстро для человеческого глаза — но обеспечивает оборудование оптического датчика обилием информации.

Способ испускания света частицами чувствителен к кислороду. По мере изменения уровней кислорода изменяются и характеристики света от частиц датчика. Упаковывая частицы с ферментами, которые потребляют кислород при взаимодействии с конкретными питательными веществами, исследователи могут использовать это обнаружение кислорода для точного измерения других жизненно важных питательных веществ, таких как глюкоза и лактат. Одна вспышка света дает исследователям данные в реальном времени без каких-либо инвазивных процедур.

Реализация этой технологии просто требует, чтобы исследователи смешали частицы датчика Салима и Макшейна со своим материалом перед печатью. Созданная структура может быть затем измерена с использованием только оптического оборудования.

Хотя технология все еще находится в зачаточном состоянии, потенциальные приложения многочисленны. Для пациентов, живущих с хроническими заболеваниями, требующими постоянного мониторинга, такими как диабет или почечная недостаточность, один укол может имплантировать датчик, меньший зернышка риса, прямо под кожу, устраняя необходимость постоянного анализа крови. Для пациентов, восстанавливающихся после трансплантации или операции по удалению опухоли, эти датчики могли бы позволить врачам немедленный и непрерывный химический анализ здоровья пораженной ткани без необходимости проведения болезненных биопсий.

«Мы могли бы встроить это в телефон», — сказал Макшейн. «Это было бы так просто, как поднести телефон к имплантату, нажать кнопку и держать его там, пока он снимает показания. Если бы вам требовались непрерывные измерения, мы могли бы разработать пластыри, которые прилипают к коже. Эти инструменты могут помочь пациентам справляться самостоятельно без постоянных анализов крови или очных консультаций. Они могут собирать информацию из своего тела чаще, чем лабораторные тесты, и получать интернет-аналитику, обратную связь и рекомендации на основе того, что происходит внутри них прямо сейчас».

Возможность неинвазивного мониторинга здоровья клеток расширила бы возможности исследователей во многих дисциплинах. Команды по разработке лекарств могли бы лучше протестировать эффективность новых методов лечения, а инженеры тканей смогли бы печатать более крупные и сложные биопечатные структуры.

«Я лично верю, что эта технология поможет исследователям быстро контролировать рост клеток, особенно в сложных средах», — сказал Салим. «Для исследователей, которые разрабатывают или проводят скрининг лекарств, это могло бы быть чрезвычайно полезно увидеть влияние определенного лекарства на рост клеток или ингибирование роста раковых клеток. Это в конечном итоге приведет к появлению новых методов лечения и новых способов выращивания клеток в больших количествах. В будущем это потенциально могло бы привести к трансплантируемым органам».