Prestižiniame technologijos ir biologijos mokslų šakoms skirtame žurnale „Biofabrication“ ir medicinos bei fizikos portale „MedicalPhysicsWeb“ publikuotas straipsnis  apie sėkmingą Lietuvos mokslininkų tyrimą audinių inžinerijos srityje. Jėgas suvieniję Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro, Lietuvos sveikatos mokslų universiteto Fiziologijos ir farmakologijos instituto, Valstybinio patologijos centro ir Vilniaus universiteto Medicinos fakulteto specialistai pirmą kartą su gyvais organizmais išbandė sudėtingą audinių karkasų formavimo tiesioginiu lazeriniu rašymu technologiją. Tyrimo santrauką galite rasti čia.

Eksperimentinius darbus sudarė trimačių (3D), tvarkių, mikroporėtų karkasų formavimas lazerinės nanopolimerizacijos būdu, jų biologinio suderinamumo ląsteliniu lygmeniu (in vitro) bei modeliniuose gyvūnuose (in vivo) įvertinimas. Tarpdisciplininiu tyrimu siekiama sukurti naujos kartos karkasus, optimaliai priderinamus individualaus paciento gydymui.

Lazerinė 3D nanolitografija yra pažangiausia 3D spausdinimo atmaina formuojamų medžiagų spektro, erdvinės skyros (darinių tikslumo), lankstumo (darinių geometrijos) bei našumo atžvilgiu. Taikant šį metodą galima gaminti objektus, kurių erdviniai matmenys būtų milimetrų eilės, o vidinė sandara (mikroarchitektūra) pasižymėtų mikrometrų (ar net šimtų nanometrų) raiška. Naudojant ultratrumpuosius (femtosekundinius) šviesos impulsus galima selektyviai modifikuoti medžiagas nepažeidžiant jų termiškai ir taip užtikrinti aukščiausią apdirbimo kokybę. Tai ypač svarbu formuojant darinius iš biopolimerų norint išlaikyti jų funkcines savybes.

Per pastarąjį dešimtmetį tiesioginis lazerinis rašymas tapo perspektyviu įrankiu, kuriant modelinius karkasus ląstelių tyrimams. Eksperimentai su gyvais organizmais, panaudojant tokį karkasų gaminimo metodą, iki šiol nebuvo atlikti.

Apribojimus lėmė tai, jog tokiems darbams įgyvendinti reikalingos ypatingai sudėtingos gamybos technologijos, o tokiame procese turi dalyvauti įvairių mokslo sričių ekspertai: medžiagotyrininkai, fizikai lazeristai, biochemikai, farmakologai ir medikai. Tyrimams pasirinkta hibridinė organinė-neorganinė medžiaga SZ2080, sudaryta iš akrilatų, silicio ir cirkonio. Tokia susintetinta medžiaga pasižymi išskirtinėmis mechaninėmis savybėmis, kurios svarbios materializuojant darinį iš kompiuteriu sumodeliuoto CAD modelio į realų objektą. Šis polimeras yra chemiškai inertiškas ir biologiškai suderinamas. Taigi, iš jo spausdinami karkasai (toliau – SZ karkasai) turi būtinų mechaninių ir biologinių savybių, reikalingų kietų audinių, tokių kaip kaulai ar kremzlė, atstatymui.

1 pav. Lazerinė litografija: I – darinio modeliavimas (CAD modelio sukūrimas), II – pataškinis formavimus (selektyvi apšvita tūryje), III – ryškinimas (pašalinama neeksponuota medžiagos dalis), IV – 3D mikrostruktūrizuotas karkasas iš SZ2080.

Šio ikiklinikinio tyrimo su triušiais metu, buvo vertinamas SZ karkasų ir ląstelių (toliau – SZ konstruktas) panaudojimas sąnario kremzlės regeneracijai. Sveika sąnarinė kremzlė yra reikalinga kokybiškam sąnarių funkcionavimui. Yra žinoma, kad pažeistas kremzlės audinys savaime neregeneruoja, dėl to negydomas jis ilgainiui yra prarandamas. Šiuo metu problemai spręsti yra taikomi įvairūs operaciniai būdai, lemiantys nevienodus gydymo rezultatus.

Pasaulio mokslininkai daug dirba siekdami patobulinti esančius ar surasti naujus kokybiškos kremzlės regeneracijos būdus. Mes parodėme, kad SZ konstruktas gali efektyviai palaikyti sąnarinės kremzlės formavimąsi tiek in vitro, tiek in vivo. Lazerinė litografija leidžia suformuoti tikslių charakteristikų, tvarkingus, mikroporėtus karkasus. Šiuo metu tiesioginio lazerinio rašymo technologija yra išvystyta tiek, kad individualiam pacientui galima atspausdinti reikiamos formos karkasą pernakt. Todėl tokiu metodu kuriami sintetiniai karkasai atveria naujas gydymo galimybes, paremtas audinių inžinerija.

2 pav. Rastų rietuvės 3D modeliai ir mikrostruktūrizuoti karkasai iš SZ2080 (skenavimo elektronų mikroskopo vaizdai)

3 pav. Ikiklinikinio tyrimo pagrindinių etapų schematiniai vaizdai: (a) SZ karkaso formavimas; (b) laboratorijoje auginamos triušio ląstelės (chondrocitai); (c) ląsteles auginant kartu su karkasu, gaunamas SZ konstruktas, kuris implantuojamas į triušį (d).

Tarpdisciplininių tyrėjų atlikto eksperimento metu buvo sukurtas tvarkingas mikroporėtas  konstruktas iš SZ2080 medžiagos ir triušių kremzlės ląstelių (chondrocitų). SZ konstruktai buvo implantuojami į dirbtinai pažeistų triušių kelius. Gydymo efektyvumas buvo vertinamas po vieno, trijų ir šešių mėnesių. Atlikus poveikio kremzlės regeneracijai mikroskopinius tyrimus paaiškėjo, kad tam tikros SZ konstrukto, apauginto chondrocitais, charakteristikos, lyginant su tiesiog SZ karkasu, žymiai pagerina gijimo efektyvumą. Išgautas  naujų konstruktų ir ląstelių biologinis suderinamumas yra panašus į rinkoje esančias kolageno membranas. Svarbu pastebėti, jog technologija įgalina naudoti įvairias medžiagas – biologinius agentus, kitų tipų ląsteles. Šio tyrimo sėkmė tik patvirtina, kad šešiakampės-porų-formos mikroarchitektūros karkasai gali būti sėkmingai pritaikomi kremzlės audinių inžinerijoje, taip pat atveria plačias galimybes kurti modelinius 3D tvarkingus mikroporėtus karkasus, reikalingus pačių implantų biosuderinamumo tyrimams. SZ2080 yra puikiai tinkama medžiaga kremzliniam audiniui rekonstruoti, bet biomedicininiuose taikymuose 3D  mikrostruktūrizavimui galima naudoti ir minkštas medžiagas (elastomerus) ar net bioskaidžius hidrogelius, kurie, laikui bėgant, gyvuose audiniuose būtų rezorbuojami. Tai leistų sukurti karkasą, kuris, „atlikęs pagalbinį“ gijimo vaidmenį, pasišalintų iš organizmo.

„Šiuo metu yra vertinama, ar žmogaus ląstelės biologiškai dera su sintetiniu karkasu. Tikimės teigiamų rezultatų netolimoje ateityje, tuomet kitas etapas jau turėtų būti „klinikiniai“ tyrimai gydant žmogų“, – ateities planais dalijosi mokslininkai.