CC BY
1Матвеева В.А. Использование 3d печати для создания биосинтетических трансплантатов как перспектива преодоления дефицита донорских роговиц /В.А. Матвеева, О.А. Малеванная //Вестник оперативной хирургии и топографической анатомии. - 2023. - Т. 1, №3 (10). - С. 46-51
УДК 617.7-77
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3D ПЕЧАТИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БИОСИНТЕТИЧЕСКИХ ТРАНСПЛАНТАТОВ КАК ПЕРСПЕКТИВА ПРЕОДОЛЕНИЯ ДЕФИЦИТА ДОНОРСКИХ РОГОВИЦ
МАТВЕЕВА В.А., МАЛЕВАННАЯ О.А.
Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова,
Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
По данным ВОЗ установлено, что от 5 до 10 миллионов человек являются слепыми, из них 12% пациентов по причине патологии роговицы глаза. Традиционные способы хирургического вмешательства на роговице, такие как кератопластика и кератопротезирование обладают рядом недостатков, поэтому существует потребность в разработке новых методик создания возможных альтернативных моделей роговиц, к которым относится 3D-печать. В ходе исследования была дана оценка возможности использования в офтальмохирургической практике 3D-биопринтинга с целью получения биосинтетических роговиц. Были проанализированы статьи отечественных и зарубежных авторов с основных информационных площадок. На сегодняшний день 3D-биопечать уже позволяет ученым получать объекты с высоким разрешением, в том числе различные органы (сердце, мочевой пузырь, желудок) и ткани (кожа) человека. Для процесса биопечати требуются, как минимум, две составляющие - это биопринтер и биочернила. К методикам 3D-биопечати относятся: экструзионная биопечать, лазерная биопечать, струйная биопечать, а также биопечать с использованием технологий SLA (стереолитографическая печать) и DLP (цифровая светодиодная проекция). Наиболее перспективным способом получения биосинтетических роговиц, вероятнее всего, будет комбинированная технология DLP и экструзионной биопечати. На сегодняшний день установлено, что данный метод позволит исследователям изготавливать биосинтетические роговицы с контролируемыми геометрическими характеристиками, такими как толщина и кривизна, что обеспечивает высокоточное управление конструкцией роговицы. Таким образом, сочетание особых преимуществ различных методов биопечати может способствовать разработке в конечном итоге желаемого кератотрансплантата.
Ключевые слова: кератопластика, кератопротезирование, искусственная роговица, 3D-печать, биопринтинг тканей
* Сведения об авторах:
Матвеева Вероника Андреевна, e-mail: [email protected], федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова"Министерства здравоохранения Российской Федерации, кафедра офтальмологии, 191015, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, 41.
ORCID: 0009-0004-0921-0335
Малеванная Ольга Александровна, e-mail: [email protected], федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова"Министерства здравоохранения Российской Федерации, кафедра офтальмологии, 191015, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, 41
SPIN-код: 2753-6215, ORCID: 0009-0006-5805-9138
THE USE OF 3D PRINTING TO CREATE BIOSYNTHETIC TRANSPLANTS AS A PROSPECT OF OVERCOMING THE SHORTAGE OF DONOR CORNEAS
MATVEEVA V.A., MALEVANNAYA O.A.
I.I. Mechnikov Northwestern State Medical University, Saint Petersburg, Russia
Abstract
According to WHO, it has been established that from 5 to 10 million people are blind, of which 12% of patients are due to pathology of the cornea of the eye. Traditional methods of surgical intervention on the cornea, such as keratoplasty and keratoprosthetics, have a number of disadvantages, therefore there is a need to develop new techniques for creating possible alternative models of the cornea, which include 3D printing. The study assessed the possibility of using 3D bioprinting in ophthalmic surgical practice in order to obtain biosynthetic corneas. Articles by domestic and foreign authors from the main information platforms were analyzed. To date, 3D bioprinting already allows scientists to obtain high-resolution objects, including various organs (heart, bladder, stomach) and human tissues (skin). The bioprinting process requires at least two components - a bioprinter and a bio-ink. 3D bioprinting techniques include: extrusion bioprinting, laser bioprinting, inkjet bioprinting, as well as bioprinting using SLA (stereolithographic printing) and DLP (digital LED projection) technologies. The most promising way to obtain biosynthetic corneas is likely to be a combined technology of DLP and extrusion bioprinting. To date, it has been established that this method will allow researchers to produce biosynthetic corneas with controlled geometric characteristics, such as thickness and curvature, which provides high-precision control of the design of the cornea. Thus, the combination of the special advantages of various bioprinting methods can contribute to the development of the desired keratograft in the end.
Keywords: keratoplasty, keratoprosthetics, artificial cornea, 3D printing, tissue bioprinting
Актуальность. Роговица прозрачная, так называемая внешняя стенка передней части глазного яблока, выполняющая три основные функции: защитную роль "щита", светопропускающую роль "окна" и светопреломляющую роль " фокусирующей линзы". При заболеваниях роговицы эти функции могут быть нарушены, по причине наличия рубцов, из-за повреждений стромы [11] или отека роговицы, из-за развития эндотелиальной дисфункции [12] и так далее, что приводит к значительному снижению или полной утрате зрения. По данным ВОЗ установлено, что от 5 до 10 миллионов человек являются слепыми, из них 12% пациентов по причине патологии роговицы глаза [1]. Прежде всего здесь имеется ввиду помутнение роговицы значительной степени. Кератопластика входит в обязательный перечень хирургических манипуляций по реабилитации таких пациентов и подразумевает замену центральной части роговицы. К сожалению, получение аутотрансплантата (эквивалентной ткани из того же глаза или контралатерального глаза того же пациента) обычно невозможно для замены роговицы, поэтому любые дальнейшие вмешательства по восстановлению или улучшению зрения в основном зависят от
донорства роговицы. Однако ввиду острой нехватки трансплантатов пациентов ставят в "Лист ожидания донорских роговиц". Ежегодно около 17 тысяч больных состоят в таких списках, при этом только 1 из 70 нуждающихся пациентов своевременно получает донорскую роговицу [1].
Считается, что кератопластика имеет высокие показатели долгосрочного успеха при незначительных требованиях к системной и пожизненной иммуносупрессии, однако, различные факторы риска, такие как наличие воспалительных заболеваний (системных и местных) в анамнезе, по-прежнему приводят к высокой частоте отторжений донорской ткани
[7].
Альтернативой кератопластики является кератопротезирование. Данная методика представляет собой установку так называемых искусственных роговиц или кератопротезов, где " керато-" и " протез" происходят от греческих слов "роговица" и "дополнение" соответственно [3]. Именно французский офтальмолог Пеллье де Кенси (Монпелье, Франция) традиционно считается первым, кто описал "искусственную роговицу" в 1789 году [2]. Кератопротез состоит из металлического каркаса (опорной части), который чаще всего выполняют из титана и
оптического цилиндра, выполненного из полиметилметакрилата, который вкручивается в центральную зону опорной пластины.
На протяжении более чем двухсотлетней истории кератопротезирования модели кератопротезов постоянно совершенствовались. Конструктивные изменения касались не только использования различных материалов, но также форм и размеров опорной и оптической частей кератопротеза. Различным вариациям подвергались методы его фиксации в роговице и этапность выполнения оперативных
вмешательств.
Однако ни один из утвержденных кератопротезов на сегодняшний день еще не идеален в качестве полноценной замены роговицы.
Таким образом, традиционные способы хирургического вмешательства, такие как кератопластика и кератопротезирование обладают рядом недостатков, поэтому существует потребность в разработке новых методик создания возможных альтернативных моделей роговиц. Сообщалось об исследованиях с использованием некоторых природных или биосинтетических материалов, таких как амниотические мембраны, гидрогели, фиброин шелка и рекомбинантный коллаген [8], которые применялись как альтернатива донорской роговицы. Наиболее оптимальный аналог, соответствующий по прочности, прозрачности и форме естественной роговице человеческого глаза, возможно было бы получить, используя два новейших метода: метод тканевой инженерии и ЭБ-биопринтинг, что является перспективным направлением
кератотрансплантации и определяет актуальность настоящего исследования.
Цель исследования. Оценка возможности использования в офтальмохирургической практике ЭБ-биопринтинга с целью получения биосинтетических роговиц.
Материалы и методы. В ходе работы были проанализированы статьи отечественных (40 источника) и зарубежных авторов (48 источников) с таких информационных площадок как Б-НЬгагу, СуЬегЬешпка, РиЬМеё.
Результаты исследования. На сегодняшний день существует два способа получения биосинтетических роговиц к ним относятся: метод тканевой инженерии и ЭБ-биопринтинг.
В последние два десятка лет разрабатывались методы создания биосинтетической роговицы основанные на принципах биоинженерии. На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова. Первым этапом производится отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток, затем разрабатывается специальный носитель клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов. Далее выполняется нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования. Заключительным этапом является непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа. Данный метод дорогостоящий, требует ручного труда, стерильных условий работы, больших площадей и значительного количества времени для создания необходимого материала, что создает определенные трудности [4]. Более перспективным является метод ЭБ-биопринтинга.
На сегодняшний день ЭБ-биопечать уже позволяет ученым получать объекты с высоким разрешением, в том числе различные органы (сердце, мочевой пузырь, желудок) и ткани (кожа) человека. Более того, трехмерная биопечать позволяет ученым придавать объектам желаемые стерические формы с высоким разрешением и разнообразными рисунками [1Э]. Отличает ЭБ-биопечать от традиционной тканевой инженерии обеспечение точного нанесения биокрасок по заданному шаблону, соответствующему органотипическим анатомическим признакам, тем самым потенциально предлагая преимущества персонализации преломляющей способности, сложной многослойной структуры и пространственных неоднородностей [6].
Для процесса биопечати требуются, как минимум, две составляющие - это биопринтер и биочернила (рис. 1).
Рис. 1. 3D-биопринтер и биочернила для создания различных органов или тканей
Биопринтеры работают почти также, как и 3D-принтеры с одним ключевым отличием - они наносят слои биоматериала, который может включать живые клетки для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или ткань кожи. Как правило, нужно больше, чем просто клетки, поэтому большинство биопринтеров также поставляют какой-то органический или синтетический "клей" -растворимый гель или коллагеновый каркас, к которому клетки могут прикрепляться и расти. Это помогает им формироваться и стабилизироваться в правильной форме.
Биочернила - это материал, используемый для производства инженерных живых тканей с использованием технологии 3D-печати. Биочернила состоят из: клеточного материла (кератоцитов) и основы 3D-матрикса, представленной различными видами биоматериалов (коллаген, фиброин шёлка (из кокона тутового шелкопряда Bombyx mori), желатин и альгинат натрия) [5]. Чаще всего используется коллаген I типа, так как он малозатратен при изготовлении, а также способствует хорошему росту нервов в ткани. Однако этот материал недостаточно прочен и эластичен для поддержания заданной формы. Для решения этой проблемы в состав биочернил были добавлены гидрогели, которые широко используются в тканевой инженерии ввиду их низкой токсичности, сходством с внеклеточным матриксом и настраиваемых биофизических
свойств. Напечатанные такими чернилами структуры в исследованиях проявляли высокую механическую стабильность, которая увеличивалась, с увеличением концентрации альгината в составе биочернил. Такой состав обеспечивает благоприятную среду,
необходимую для роста кератоцитов, используемых как клеточный компонент синтезируемой роговицы. Эти клетки, в свою очередь, получают из трупной ткани. В других исследованиях говорится о возможности замены коллагена фиброином шелка, получаемого из кокона тутового шелкопряда Bombyx mori [5]. Этот белок также, как и коллаген широко используется в тканевой инженерии и регенеративной медицине ввиду его способности практически не вызывать иммунного ответа, контролируемой скорости разложения и пригодных для 3Б-биопринтинга механических свойств. В экспериментах фиброин шелка был использован как основа для био-чернил и показал хорошие результаты. Однако в чистом виде он уступает коллагену человека из-за недостатка естественных белков внеклеточного матрикса.
К методикам 3Б-биопечати относятся: экструзионная биопечать, лазерная биопечать, струйная биопечать, а также биопечать с использованием технологий SLA
(стереолитографическая печать) и DLP (цифровая светодиодная проекция) (рис. 2).
Рис. 2. Технологии 3Б-биопечати. (i) экструзионная биопечать, (ii) биопечать с лазерным сопровождением, (iii A-B) струйная биопечать, (iv A-B) биопечать SLA и DLP
Практически все вышеперечисленные технологии имеют свои плюсы и минусы. Наиболее перспективным способом получения биосинтетических роговиц, вероятнее всего, будет комбинированная технология DLP и экструзионной биопечати [9].
Первыми, кто попробовал напечатать роговицу (в 2018 году), была группа исследователей из Ньюкаслского университета под руководством профессора Че Коннона (Che Connon) [10].
Разработанный учеными материал для печати состоял в основном из коллагена и альгината натрия. Кроме того, авторы добавили в него клетки, полученные из тканей роговицы человека (кератоциты). Предполагается, что использование настоящих кератоцитов должно содействовать воссозданию внеклеточного матрикса роговицы.
Основа роговицы авторами изготавливалась менее 10 минут. Этапы работы представлены на рисунке Э.
Рис. 3. Этапы создания 3Б-биосинетической роговицы человека
На рисунке 4 группа исследователей из Ньюкаслского университета под руководством профессора Че Коннона впервые демонстрируют успешно напечатанную на ЭБ-биопринтере роговицу [10].
Рис. 4. Демонстрация роговицы, напечатанной на ЭБ-биопринтере
Полученные в будущем биосинтетические роговицы должны будут обладать рядом свойств: прозрачностью, достаточной механической прочностью, биосовместимостью и биоинертностью, что позволит, в дальнейшем, использовать данные трансплантаты в
экспериментальных исследованиях у человека [10].
На сегодняшний день установлено, что данный метод позволит исследователям изготавливать биосинтетические роговицы с контролируемыми геометрическими
характеристиками, такими как толщина и кривизна, что обеспечивает высокоточное управление конструкцией роговицы. Таким образом, сочетание особых преимуществ различных методов биопечати может способствовать разработке в конечном итоге желаемого кератотрансплантата.
Выводы. Толчком для разработки и попыток создания альтернативных трансплантатов с целью их использования в офтальмохирургии стала нехватка материала в донорском банке роговиц. На сегодняшний день наиболее перспективным методом создания
биосинтетических роговиц является ЭБ-принтинг и его различные модификации. Созданные ЭБ-модели кератотрансплантатов могут стать перспективным вариантом их использования в офтальмохирургии несмотря на то, что данная методика изготовления роговиц в
настоящее время ещё не одобрена для клинического применения.
Список литературы
1. О возможностях трансплантации роговицы (обзор литературы) / Т.А. Халилова [и др.] // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. - 2020. - №6. - С. 17-19.
2. Cortina M.S. Keratoprostheses and artificial corneas. /M.S. Cortina, J. de la Cruz //Fundamentals and surgical applications.
- 2015. - P. 3-11.
3. Dalisay P. Boston keratoprosthesis type I indications. Long term results and comlications / P. Dalisay // Barcelona: Universitat Autonoma. - 2016. - P. 14.
4. Generating minicorneal organoids from human induced pluripotent stem cells / P.J. Susaimanickam [et al.] // Development.
- 2017. - Vol. 144, №13. - P. 2338-2351.
5. Global survey of corneal transplantation and eye banking / P. Gain [et al.] // JAMA Ophthalmol. - 2016. - Vol. 134, №2. -P. 167-173.
6. Haring A.P. Microphysiological Human Brain and Neural Systems-on-a-Chip: Potential Alternatives to Small Animal Models and Emerging Platforms for Drug Discovery and Personalized Medicine / A.P. Haring, H. Sontheimer & B.N. Johnson // Stem cell reviews and reports. - 2017. - Vol. 13, №3. - P. 381- 406.
7. High - risk cornealtransplantation: Recent developments and future possibilities / W.J. Armitage [et al.] // Transplantation.
- 2019. - Vol. 103, №12. - P. 2468-2478.
8. Incornea and external eye disease / M. Griffith [ et al.] // Corneal regenerative medicine: Corneal substitutes for transplantation. - 2008. - P.34-58.
9. Integrated 3D bioprinting-based geometry-control strategy for fabricating corneal substitutes / B. Zhang [et al.] // Journal of Zhejiang University. Science. B. - 2019. - Vol. 20, №12. - P. 945-959.
10. Isaacson A. 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent / A. Isaacson, S. Swioklo, C.J. Connon // Experimental eye research. - 2018. - Vol. 173. - P. 188-193.
11. Lagali N. Corneal Stromal Regeneration: Current Status and Future Therapeutic Potential / N. Lagali // Current eye research. - 2020. - Vol. 45, №3. - Р. 278-290.
12. Therapy of corneal endothelial dysfunction with corneal endothelial cell-like cells derived from skin-derived precursors / Shen, Lin [et al.] // Scientific reports. - 2017. - Vol. 7, №1. - P. 1-10.
13. Three-Dimensional Printing of Medicinal Products and the Challenge of Personalized Therapy / L. Zema [et al.] // Journal of pharmaceutical sciences. - 2017. - Vol. 106, №7. - P. 1697-1705.
