В последние несколько лет активно разрабатывается технология печати биологических тканей. Принцип печати биологических тканей простой: наращивание клеточной ткани слой за слоем при помощи принтера, напоминающего по устройству обычный. С помощью этой технологии биотехнологи уже создали функциональные ткани. В экспериментах используется трёхмерный биопринтер, заправляемый «живыми чернилами», представляющими собой конгломераты живых клеток. Биопринтер по командам компьютера выстраивает нужную "конструкцию" органа слой за слоем. В перспективе при применении биопринтеров, созданных с использованием нанотехнологий, такая методика позволит печатать отдельные клетки и клеточные структуры.

Что может использовать такой принтер в качестве «бумаги»? Зачем нужна такая «бумага» для создания искусственного органа? (2 балла)

"Бумагой" в таком принтере являются подложки из биополимеров: коллагена, хитозана или сополимеров полимолочной и полигликолевой кислот. Возможно применение и других материалов для ее изготовления. "Бумага" служит каркасом для культивируемых клеток и придает создаваемому органу необходимую форму. Любой орган имеет соединительно-тканный каркас, структурным элементом которого являются волокна "строительных" белков, коллагена и эластина. В идеале такая "бумага" должна быть достаточно прочной, тонкой и подвергаться биодеградации, замещаясь формирующейся тканью. В "бумагу" можно вводить различные вещества (например, гормоны и тканевые факторы роста), которые будут способствовать росту и дифференциации клеток для формирования органа.

Каким образом должны повести себя клетки, нанесенные на «бумагу» при помощи подобного принтера, чтобы произошло формирование искусственного органа? (2 балла)

Клетки должны адгезироваться друг к другу, сформировав межклеточные контакты. Должна возникнуть коммуникация между клетками посредством выделяемых ими тканевых факторов и гормонов. Должна произойти дифференциация клеток в соответствии с их типом и функциями в органе.

Если подобный принтер (печатающий конгломератами клеток) напечатает хотя бы объемный фрагмент почки, что будет препятствовать нормальному функционированию почечных тканей? Как можно преодолеть эти препятствия? (2 балла)

Препятствовать нормальному функционированию почечных тканей может отсутствие или недостаточное формирование сложной разветвленной системы нефронов – основных структурно-функциональных единиц почки, а именно почечных канальцев и клубочков, а также оплетающих их капилляров и сосудов, которые осуществляют процессы фильтрации, секреции и реабсорбции, определяющие выделительную функцию почки. Кроме того, в почечных тканях, как и в любых других, должна быть создана разветвленная капиллярная и сосудистая сеть, которые обеспечивает орган питательными веществами и кислородом. Для "печати" этих структур требуется гораздо более сложная и точная технология – "печать" отдельными клетками. Возможны другие способы преодоления этих препятствий.

Как Вы думаете, возможно ли получение следующего результата:

фрагмент ткани, напечатанный смесью различных клеток сердца, через несколько суток культивирования начинает синхронно сокращаться (1 балл)? Опишите физиологические механизмы поведения клеток, которые способствуют или препятствуют «самостоятельному» формированию функционирующей ткани. (3 балла)

Творческий вопрос. Да, возможно, и было показано экспериментально. Наличие межклеточной коммуникации с использованием различных сигнальных молекул (гормонов и ростовых факторов) в значительной степени способствует самоорганизации клеток в новые функционирующие ткани. Подобные процессы самоорганизации клеток и формирования новых тканей происходят в процессе эмбриогенеза. Причем, клетки различных типов могут самостоятельно формировать те структуры, в состав которых они входят в организме, например, клетки эндотелия сосудов формируют трубчатые структуры, мышечные клетки – мышечное волокно и т.п.