Відновлення втраченої шкіри на голові та обличчі за допомогою шкірних трансплантатів – складне завдання. Ця операція може призвести до утворення рубців, незворотної втрати волосся і відторгнення трансплантата. Дослідники з Університету штату Пенсільванія використовували комбінацію біочорнил, що містять позаклітинний матрикс, стовбурові клітини і розчин для згортання крові, і створили живу шкіру з потенціалом росту волосся. Учені вперше надрукували на 3D-принтері цю “живу” шкіру на всю товщину прямо на щурах, у яких була пошкоджена шкіра черепа. Усього за два тижні рана загоїлася.
Анатомічно шкіра складається з трьох шарів: зовнішнього (видимого) епідермісу, середньої дерми і найглибшого шару – гіподерми. Гіподерма, що складається зі сполучної тканини і жиру, забезпечує структуру і захисну підтримку черепа. Коріння волосяних фолікулів проникають у гіподерму, де починає рости волосся. Гіподерма безпосередньо бере участь у процесі перетворення стовбурових клітин на жир. Цей процес має вирішальне значення для кількох життєво важливих процесів, включаючи загоєння ран. Він також відіграє роль у циклічному розвитку волосяних фолікулів, особливо в рості волосся.
Раніше вчені використовували два види біочорнил для одночасного 3D-друку твердих і м’яких тканин на черепі та шкірі гризунів. У поточному дослідженні вони пішли далі. Учені витягли з жирової тканини пацієнтів, які перенесли операцію, позаклітинний матрикс – мережу молекул і білків, що надають тканині структуру і стабільність. Це сформувало один із компонентів біочорнила. Другим компонентом стали стовбурові клітини, взяті з жирової тканини. Третьою ланкою виступив розчин для згортання крові, що містить фібриноген, який допомагав іншим компонентам зв’язуватися з місцем ушкодження. Кожен компонент завантажувався в окремі відсіки біопринтера.
Три відсіки дали змогу одночасно друкувати суміш матриці та фібриногену разом зі стовбуровими клітинами, і цей процес можна було контролювати. Вчені друкували безпосередньо на місці травми для формування гіподерми, яка сприяє загоєнню ран, утворенню волосяних фолікулів і регулюванню температури. Щоб визначити ідеальну суміш, дослідники експериментували з трьома біочорнилами, що містять різну кількість позаклітинного матриксу.
Команда провела три серії досліджень на щурах, щоб краще зрозуміти роль жирового матриксу. Виявилося, що спільна доставка матриксу і стовбурових клітин має вирішальне значення для формування гіподерми. Окремо ці компоненти не працюють.
Після біодруку шарів гіподерми і дерми зовнішній епідерміс сформувався сам по собі, в результаті рана загоїлася за два тижні. Гіподерма містила “нарости” – початок розвитку волосяних фолікулів. Дослідження показали, що стовбурові клітини, отримані з жиру, тісно пов’язані з волосяними фолікулами і можуть стимулювати їхній ріст.
Дослідники сподіваються, що їхня технологія, особливо здатність до росту волосся, поліпшить результат реконструктивних операцій, зробивши результат більш природним. Це матиме позитивний вплив на психічне благополуччя пацієнтів.