Восстановление сложноорганизованных комплексов тканей с использованием прототипа портативного биопринтера «Биоган»

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-75-10120

НазваниеВосстановление сложноорганизованных комплексов тканей с использованием прототипа портативного биопринтера «Биоган»

Руководитель Шпичка Анастасия Иосифовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-405 - Регенеративная медицина

Ключевые слова Биопринтер, биочернила, гидрогелевая система, кожа, матрикс-связанные везикулы, регенерация, незаживающие раны, язва

Код ГРНТИ76.13.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Незаживающие раны являются одним из распространенных осложнений у пациентов с сахарным диабетом и венозной недостаточностью и могут стать причиной развития сепсиса и, как следствие, летального исхода, а их терапия требует значительного времени и финансовых затрат. Использование современных методов, включая эпидермальные эквиваленты, позволило достигнуть значительных успехов в восстановлении поврежденной ткани и снижении рисков рецидивов. Тем не менее, применение раневых покрытий не позволяет точно повторить профиль раневой поверхности и учесть локальные особенности в состоянии тканей. В связи с этим целью представленного проекта является разработка подходов к восстановлению сложноорганизованных комплексов тканей с использованием прототипа портативного биопринтера «Биоган». Разрабатываемое устройство позволит реализовать такие подходы к восстановлению сложноорганизованных комплексов тканей, как фотобиомодуляция, применение биоактивных материалов и клеточная терапия. Так, в рамках реализации проекта будут впервые установлены эффекты воздействия низкоинтенсивного излучения в красном и ближнем инфракрасном диапазонах в трехмерных клеточных структурах при формировании тканевых эквивалентов с помощью биопечати. Будут впервые разработаны биочернила, включающие матрикс-связанные везикулы и клеточные сфероиды. Будет впервые разработан прототип портативного биопринтера «Биоган» с возможностью с воздействия низкоинтенсивным излучением в красном и ближнем инфракрасном диапазонах с целью восстановления сложноорганизованных комплексов тканей, проведены предварительные испытания по установлению безопасности и эффективности разработанных подходов in vivo на модели незаживающих ран и сформированы рекомендации для проведения доклинических исследований. Результаты реализации проекта соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в виде не менее 10 статей в ведущих профильных международных журналах 1-го квартиля (включая Biofabrication, Acta Biomaterialia, Bioprinting, International Journal of Bioprinting, Nature Communications и др.) и представлены на основных международных конференциях (TERMIS Congress, ESAO Congress, World Congress on Biomaterials и др.). Междисциплинарный характер представленного проекта и достижимость указанных результатов обуславливает участие специалистов высокого уровня из разных областей знаний, работающих в Институте регенеративной медицины, Институте бионических технологий и инжиниринга и Клинике кожных и венерических болезней имени В.А. Рахманова Сеченовского университета: дерматологии, регенеративной медицины, тканевой инженерии, материаловедения, биомедицинского инжиниринга, клеточной биологии. Участники проекта имеют большой опыт проведения исследований, что подтверждается публикациями в таких ведущих профильных международных журналах 1-го квартиля, как Scientific Reports, Drug Discovery Today, Soft Matter, Journal of Biomedical Optics, International Journal of Bioprinting и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бакулина А.А., Мусина Г.Р, Гавдуш А.А., Ефремов Ю.М., Командин Г.А., Восух М., Шпичка А.И., Зайцев К.И., Тимашев П.С. PEG-fibrin conjugates: the PEG impact on the polymerization dynamics Soft Matter, 19, 2430 (год публикации - 2023)
10.1039/d2sm01504h

2. Бикмулина П.Ю., Кошелева Н.В., Ефремов Ю.М., Бакулина А.А., Курьянова А., Аксенова Н.А., Шавкута Б.С., Котова С.Л., Шпичка А.И., Тимашев П.С. Building a tissue: gingiva- and adipose-derived mesenchymal cell spheroids’ survivability and functionality after 3D extrusion bioprinting Bioprinting, 32, (2023), e00279 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bprint.2023.e00279

3. Филиппова О.В., Максимкин А.В., Дайюб Т., Ларионов Д.И., Телышев Д.В. Sustainable Elastomers for Actuators: “Green” Synthetic Approaches and Material Properties Polymers, Polymers 2023, 15, 2755 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15122755

4. Пешкова М.А., Корнеев А.А., Ревокатова Д.П., Смирнова О.А., Ключарев Т.О., Шендер В.О., Арапиди Г. П., Кошелева Н.В., Тимашев П.С. Four sides to the story: A proteomic comparison of liquid-phase and matrix-bound extracellular vesicles in 2D and 3D cell cultures Proteomics, e2300375 (год публикации - 2024)
10.1002/pmic.202300375

5. Ревокатова Д.П., Бикмулина П.Ю., Хейдари З., Соловьева А.Б., Восух М., Getting Blood out of a Stone: Vascularization via Spheroids and Organoids in 3D Bioprinting Cells, Cells 2025, 14, 66 (год публикации - 2025)
10.3390/cells14090665

6. Ревокатова Д.П., Христидис Я.И., Файзуллин А.Л., Ершов Б.П., Ларионов Д.И., Нестеренко И.В., Шпичка А.И., Тимашев П.С., Применение портативного биопринтера для терапии ишемических ран: пилотное исследование Современные технологии в медицине (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения работ в 2024/25 году в рамках проекта №22-75-10120 была оптимизирована конструкция прототипа портативного биопринтера «Биоган» с учетом свойств разработанных биочернил и установленного оптимального режима воздействия низкоинтенсивным излучением в ближнем инфракрасном диапазоне. Была предложена новая конструкция привода на основе 2 шаговых двигателях с передачей винт-гайка и корпуса устройства. Выявленные значения объемной скорости подачи чернил в зависимости от диаметра сопла позволили предложить дизайн пассивного смесителя с насадкой, который был способен обеспечить стабильный поток и избегание механического повреждения клеточного компонента. Был изготовлен модуль фотобиомодуляции на основе светодиодов с предварительно установленными вольтамперными характеристиками и параметрами излучения. Для каждого из них была определена зависимость тока от напряжения, а полученные данные подтвердили стабильность работы в выбранных режимах без признаков перегрева или деградации. Экспериментальные значения оптических характеристик светодиодов составили 374 (УФ), 630 (красный), 855 (ИК) нм, что близко к номинальным – 365, 630, 840 нм. Конструкция корпуса фотобиомодулятора способствовала эффективному отведению тепла от светодиодов и защите от внешних воздействий. Разработанная конструкция системы управления прототипа биопринтера обеспечивала удобный и быстрый доступ к компонентам для обслуживания и ремонта. Интуитивно понятный интерфейс реализован с помощью программного обеспечения, которое позволяет контролировать основные параметры процесса биопечати. Был разработан протокол использования прототипа портативного биопринтера, включающего смеситель с насадкой, систему управления, а также модуль фотобиомодуляции. Показано, что при использовании непрерывного режима биопечати наилучшая печатуемость характерна при объемной скорости подачи биочернил, равной 0,2 мл/с, при этом поток материала экструдировался равномерно, без прерывания, компоненты смешивались гомогенно; при применении импульсного режима – 0,2-0,5 мл/с при частоте импульсов 15-20 импульс/мин. С учетом указанных параметров с помощью прототипа были сформированы конструкты, и установлено, что процесс биопечати не приводил к снижению жизнеспособности клеток: через 3 дня культивирования сфероиды формировали отростки в толще гидрогелевого компонента, клетки активно мигрировали, обнаруживались единичные мертвые клетки. Так, для проведения экспериментов in vivo был выбран протокол со следующими параметрами печати: непрерывный режим, объемная скорость подачи биочернил – 0,2 мл/с, облучение – 15 с. Была установлена безопасность и эффективность применения разработанного подхода in vivo на модели незаживающих ран у свиней. Выявлено, что значимое отличие в уменьшении раневой поверхности при нанесении биочернил (до 90%) было характерно для 18-го дня, когда площадь раны сократилась до 1,28 ± 0,7 см2 (vs.10,8 ± 0,4 см2 при нанесении только гидрогелевого компонента и 10,12 ± 0,28 см2 без лечения). По результатам гистологического анализа выявлено, что в контрольной группе в центральной зоне поверхностная часть дермы толщиной 1–1,5 мм была представлена рыхлой фиброзирующейся грануляционной тканью с высокой клеточностью и плотной сетью кровеносных сосудов. Значительных признаков инфильтрации иммунными клетками обнаружено не было, умеренное количество лимфоцитов и макрофагов определялось периваскулярно, небольшими очагами. В краевой зоне наблюдали признаки реорганизации дермы с формированием толстых пучков коллагена, идентичных таковым в интактной дерме. Одновременно с этим в ткани определялась очень высокое содержание фибробластов, ориентированных параллельно поверхности раны, и вертикальных петлей кровеносных сосудов. В группе, когда был нанесен только гидрогелевый компонент биочернил, в центральной зоне дефекта кожи зона повреждения слабо отличалась от контрольной группы. В одном случае эпителизация была нарушена, рана была покрыта слоем фибрина, под которым обнаруживалась зона густой инфильтрации лимфоцитами и макрофагами. В других образцах рана была выстлана непрерывным многослойным эпителием с небольшими кистами. Поверхностная зона дермы также, как и в контроле, была представлена рыхлой соединительной тканью с начальными признаками реорганизации. В краевой зоне реорганизация поврежденной соединительной ткани происходила несколько быстрее, чем в контрольной группе, и значительно активнее, чем в центре дефекта кожи. Тем не менее, темпы восстановления значимо от контрольной группы не отличались. В группе, когда наносили биочернила (гидрогелевый и клеточный компоненты), во всех образцах раны были выстланы непрерывным эпителием. Поверхностные дефекты дермы были тонкими, в них активно происходила реорганизация с формированием новых толстых пучков коллагеновых волокон. В отдельных зонах под эпителием ткань была очагово более рыхлой, но большая её часть была представлена фиброзированной грануляционной тканью с высоким содержанием внеклеточного матрикса и без признаков активного воспаления. В краевых зонах наблюдалось полное восстановление дермы: внеклеточный матрикс был полностью представлен толстыми пучками коллагеновых волокон. Выявлены признаки регенерации: в дерме определялись прослойки рыхлой соединительной ткани с кровеносными сосудами. Таким образом, в группе без лечения отмечался процесс самостоятельного раневого заживления, который выражался в полном возмещении объема дефекта и начале процесса реорганизации раны на ее краю. При использовании только гидрогелевого компонента биочернил регенеративные и воспалительные изменения значительно не отличались от контрольной группы, тогда как при нанесении биочернил, включающих также сфероиды из мезенхимных стромальных клеток, наблюдали полное восстановление всех слоев дефекта на краю и активную регенерацию в центре дефекта. В рамках реализации проекта в 2024/2025 году было подготовлено 2 статьи, 1 из которых была опубликована в зарубежном журнале, индексируемом в Scopus и Web of Science и относящемся к Q1. Результаты работы были представлены в форме устных и стендовых докладов на 2 международных научных мероприятиях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
На основе разработанных прототипа портативного биопринтера «Биоган» и биочернил нами создано 3 продукта (биомедицинский клеточный продукт (сфероиды из аутологичных мезенхимных стромальных клеток человека); кондиционированная среда мезенхимных стромальных клеток человека (КС МСК), концентрат стандартизованный; кондиционированная среда мезенхимных стромальных клеток человека (КС МСК)), которые уже в этом году будут использованы у пациентов, проходящих лечение в клиниках Сеченовского университета, а также будет зарегистрировано 2 медицинских изделия (устройство и гидрогелевый компонент биочернил). Производство будет осуществлено на базе проектно-производственного центра Сеченовского университета.