3D Biomedicamente dá um grande passo à frente com estruturas vasculares realistas

Existem mais de 100.000 pessoas nas listas de transplante de órgãos dos Estados Unidos, alguns estão esperando por anos para receber um – alguns podem não sobreviver à espera. Mesmo com uma boa partida, há uma oportunidade de rejeitar o corpo do membro. Para reduzir os períodos de espera e reduzir a possibilidade de rejeição, os pesquisadores em medicina de renovação desenvolvem maneiras de usar células pacientes para fabricar corações pessoais, rins, fígado e outros órgãos mediante solicitação.

Garantir que o oxigênio e os nutrientes possam atingir cada parte do órgão recém -transplantado representa um desafio constante. Os pesquisadores de Stanford criaram novas ferramentas para o design incrivelmente complexo e a impressão de vasos sanguíneos necessários para transportar sangue por todo o órgão. A plataforma deles foi publicada em 12 de junho em CiênciasProjetos que se assemelham ao que realmente vemos no corpo humano são muito mais rápidos que as tentativas anteriores e são capazes de traduzir esses projetos em instruções para uma impressora 3D.

A capacidade de expandir a faixa de tecido impressa vital é limitada à capacidade de gerar vasos sanguíneos para eles – você não pode expandir o escopo desses tecidos sem fornecer suprimento sanguíneo. Conseguimos fazer o algoritmo para gerar vasos sanguíneos funcionar 200 vezes mais rápido que os métodos anteriores, e podemos gerá -los para formas complexas, como membros. “

Alison Marsden e Douglas M. Noula Lesman é professora de doenças cardiovasculares e professora de pediatria e biomedia em Stanford em escolas de engenharia e medicina e co -autor do artigo

Sangue na escala

Quando o sangue é bombeado para um órgão no corpo, ele é transmitido de uma grande artéria para vasos sanguíneos cada vez menores, pois pode trocar gases e nutrientes com os tecidos circundantes. Na maioria dos tecidos, as células devem estar dentro da largura dos cabelos para o vaso sanguíneo sobreviver, mas nos tecidos que requerem metabolismo como o coração, a distância é menor-pode haver mais de 2500 capilares em um cubo com um tamanho de milímetro. Todos esses pequenos vasos sanguíneos acabam se unindo antes de deixar o órgão.

Essas redes vasculares não são uniformes; Os membros vêm em muitas formas, e há muita diversidade, mesmo entre o coração de dois tamanho semelhante. Mesmo esse ponto era criar um modelo de rede realista realista que se encaixe em um membro único e complexo e tempo incrivelmente consumido. Muitos pesquisadores confiaram em redes uniformes, que funcionam bem em pequenos modelos de tecido de engenharia, mas não cumprem bem.

Marsden e seus colegas construíram um algoritmo para criar árvores vasculares que imitam estreitamente estruturas vasculares para os órgãos originais e disponibilizaram o programa para qualquer pessoa para usá -lo através de seu projeto de código aberto. Eles mesclaram a simulação de dinâmica de fluidos para garantir que os vasos sanguíneos distribuam o sangue uniformemente e reduzam o tempo bem -sucedido para gerar a rede, evitando a colisão entre os vasos sanguíneos e criando um loop fechado com uma entrada e saída.

“Demorou cerca de cinco horas para criar um modelo de computador para uma árvore dar ao caráter vascular ao coração humano. Conseguimos alcançar uma densidade em que qualquer célula no modelo tinha sido de 100 a 150 microns do vaso sanguíneo mais próximo, que é muito bom”, disse Zakari Sixon, um pesquisador pós -PHD no laboratório de março e da co -autora. O design continha um milhão de vasos sanguíneos. “Essa tarefa não foi realizada antes e pode levar meses com os algoritmos anteriores”.

Enquanto impressoras tridimensionais não atingem a tarefa de imprimir essa rede exata e densa, os pesquisadores conseguiram projetar e imprimir o modelo vascular com 500 ramos. Eles também testaram uma versão mais simples para garantir que eles pudessem manter as células vivas. Usando um bioperinter 3D – que é impresso com células vivas em vez de resina ou metal – os pesquisadores inventaram um loop espesso carregado com rins embrionários humanos e construindo uma rede de 25 navios que passam. Eles bombearam um líquido carregado com oxigênio e nutrientes em toda a rede e mantiveram um grande número de células próximas à rede vascular viva.

“Parece que esses navios podem ser projetados e impressos e podem manter as células vivas”, disse Mark Skyler, professor assistente de engenharia biomédica e co -autor do artigo. “Sabemos que há um trabalho para acelerar a impressão, mas agora temos esse pipeline para gerar várias árvores vasculares com muita eficiência e criar um conjunto de instruções para imprimi -lo”.

Biomed

Os pesquisadores se apressam em observar que essas redes vasculares ainda não são vasos sanguíneos funcionais – são canais impressos através de uma matriz 3D, mas não possuem células musculares, células cobertas, células fibrosas ou qualquer outra coisa que precisará trabalhar por conta própria.

“Este é o primeiro passo para gerar redes vasculares verdadeiramente”, disse Dominic Roth, pesquisador pós-PHD do Laboratório Skyl-Sakut e o primeiro co-autor do artigo. “Podemos imprimi -los em complicações sem precedentes, mas ainda não são vasos completamente fisiológicos. Estamos trabalhando nisso”.

A conversão desses projetos nos vasos sanguíneos que trabalha é apenas um dos aspectos da impressão biológica, um coração humano em que Skylar-Scott trabalha e seus colegas. Eles também exploram como incentivar os menores vasos sanguíneos – aqueles que são muito pequenos ou espaçados para a impressão – a crescer por conta própria, melhorar as capacidades dos aposentados 3D vitais para torná -los mais rápidos e precisos e desenvolver grandes quantidades de células que precisarão imprimir todo o coração.

“Este é um passo decisivo nesse processo”, disse Skyler. “Conseguimos gerar células cardíacas suficientes das células -tronco humanas para imprimir todo o coração humano, e agora podemos projetar uma árvore angi boa e complexa para mantê -la.

Professor de Pediatria de Marsen, Engenharia Biomática e como elogio, da Engenharia Mecânica; Membro do Stanford Bio-X, Instituto Stanford de Vascular, Aliança para Desempenho Humano de Wu Tsai, Instituto de Saúde Mãe e Infantil e Instituto de Engenharia de Computação e Esporte.

Skylar-Scott é membro do Bio-X, do Instituto Stanford de Vascular e das Neurociências de Wu Tsai.

Os autores adicionais em Stanford incluem esta pesquisa, professora de medicina, Sean M Woo; Postes Pesquisadores, Gianni de, Jonathan Fam e Jasson M. e estudantes de pós -graduação Jessica E. Hermann, Siham Sinha, Anastasia Masalasva e Frederick Samdal Solburg.

Os outros autores deste trabalho são da Universidade de Carnegie Mellon.

Este trabalho foi financiado pela National Science Corporation, pelo National Institutes of Health, pela Swiss National Science Foundation, ao Berg Scientists Program e ao Alpha Omega Alpha Caroline L. Kokin, à sua bicicleta, Dorothy de, Dorothy De, Medical Scholars Research Award, Dorothy de San Dragha, Parker B. Hoffmann/Schroper,

A pesquisa relatada neste post foi apoiada pelo número de prêmios ARPA-H sob o prêmio AY1AX000002. O conteúdo é apenas de responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais do Projeto de Pesquisa em Saúde Avançada.