Предложенное командой разработчиков из МФТИ и ИФМ УрО РАН технологическое решение позволяет формировать трехмерные клеточные структуры в культуральных сосудах. Речь идет не только о стандартных емкостях, но и о редких модификациях форм — многолуночных планшетах и чашках для конфокального микроскопа.
Операция по замене коленного сустава достаточно сложна технически и требует точности при определении формы протеза. Даже при незначительных отклонениях от правильных углов установки приводит к осложнениям: воспалительным процессам, сложностям с «приживаемостью» протеза. Именно поэтому приоритетным направления в развитии ортопедии являются технологии восстановление поврежденной хрящевой ткани с помощью сфероидов — трехмерных клеточных структур, которые имитируют условия окружающей среды живой клетки.
Сфероиды внедряются в поврежденный участок хряща, где они начинают выделять биологически активные вещества, которые способствуют регенерации ткани. Эти вещества могут стимулировать рост новых клеток хряща и ускорять их дифференцировку в хрящевые клетки.
«Клетки внутри организма человека живут в трехмерном окружении и в случае, когда они его теряют, чаще всего умирают. Когда мы говорим про стволовые клетки или хондроциты и с помощью них хотим вылечить какую-то болезнь или травму человека, нам очень важно, чтобы они были живыми. Отдельные клетки, которые просто вводятся в человека, скорее всего, умрут, поэтому очень важно использовать клетки которые имеют контакты друг с другом: для этого как раз нужно использовать сфероиды», — уточняет старший научный сотрудник, заведующий лабораторией регуляции клеточной сигнализации МФТИ Илья Зубарев.
При традиционной тактике лечения — проведении операции по протезированию коленного сустава — пациент остается под наблюдением в стационаре 3–5 дней. В это время он проходит обучение специальному курсу упражнений (физиотерапия для укрепления колена). Передвигаться самостоятельно без специальных средств пациент часто может только через 6 недель, а полная реабилитация после замены коленного сустава может занять до 2 лет. Для сравнения: «вырастить» новый хрящ в сфероидах можно за 2 недели в лаборатории и за месяц внутри пациента.
Рисунок 1. Штампы разных форм и размеров для создания разного количества микроячеек. Иллюстрация Артём Минин, научный сотрудник ИФМ УрО РАН
Для создания штампов и молдов для сфероидов команда разработчиков из МФТИ и РАН использовала аддитивные технологии — 3D-моделирование и 3D-принтер. В качестве базы для молдов выступил двухкомпонентный литьевой силикон. Инновационность технологического решения заключается в создании штампов для многолуночных планшетов, что позволило эффективно проводить тесты для каждого отдельного пациента, и создании молдов для флаконов с большим количеством ячеек для масштабирования процесса.
Сфероиды в микроячейках. Фото предоставлено авторами исследования
Как отмечает один из авторов проекта, студентка кафедры молекулярной биологии Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ Мария Томилина, приспособления для создания сфероидов, которые сейчас есть на рынке, имеют строго определённые размеры и подходят для очень ограниченного количества культуральных ёмкостей.
«Имеющиеся на рынке формы для получения сфероидов представлены компанией MicroTissues Inc. Они производят 3D-чашки Петри, предназначенные для изготовления сфероидов. В силиконовые формы наливается агароза и создаются трехмерные емкости. Используя эти 3D-чашки Петри, можно получать сфероиды одинакового размера и формы. Правда, конструкции ограничены количеством лунок и не предназначены для большого производства сфероидов», — продолжает Мария Томилина.
Проект по созданию молдов и штампов для трехмерных клеточных структур стал участником конкурса «Студенческий стартап» на базе МФТИ и получил финансирование в размере 1 000 000 рублей от федерального Фонда содействия инновациям. Результаты станут основой для получения платформ для скрининга активности биологически активных препаратов и вирусных векторов для многолуночных планшетов, прижизненной микроскопии сфероидов в конфокальном микроскопе и масштабирование производства сфероидов.
В течение следующих 6 месяцев разработчики будут тестировать создаваемые приспособления в Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова, а также в Институте пластической хирургии и косметологии в Москве.
