Исследователи Калифорнийского университета в Риверсайде представили технологию, которую ранее считали практически недостижимой: им удалось сформировать функциональную ткань, имитирующую мозговую, без какого-либо использования биологических материалов. Новая платформа получила название BIPORES и представляет собой инженерную конструкцию на основе синтетического полимера, способную воспроизводить структуру внеклеточного матрикса — ключевой среды, в которой живые нейроны растут, дифференцируются и формируют связи.

Полностью искусственный каркас без белковых клеёв

Материал основы создаётся из полиэтиленгликоля (ПЭГ) — нейтрального полимера, который не взаимодействует с клетками и обычно препятствует их прикреплению. В классических подходах для фиксации клеток используют белковые покрытия вроде ламинина или фибрина, однако разработчики BIPORES сумели отказаться от любых биологических добавок.

Чтобы обеспечить адгезию клеток и стабильность структуры, они применили архитектуру, построенную на основе биогелей (bijels) с характерной седлообразной поверхностью. Каркас таких гелей укрепляется наночастицами диоксида кремния, что обеспечивает механическую прочность и долговечность.

Трёхмерная структура, созданная при помощи микрожидкостей и биопечати

Используя микроскопические стеклянные каналы и биопринтер, команда сформировала объёмные структуры с взаимосвязанной пористой сетью. Такая конфигурация обеспечивает свободный транспорт питательных веществ и метаболитов и позволяет клеткам проникать вглубь материала, а не ограничиваться поверхностью.

Первые опыты с нейральными стволовыми клетками продемонстрировали, что они уверенно закрепляются на синтетической поверхности, растут и образуют функциональные нейронные сети, что подтверждает пригодность каркаса для моделирования мозговой ткани.

Преимущества для долгосрочных исследований

По словам руководителя проекта Принса Дэвида Окоро, стабильный скелет из синтетического материала позволяет значительно увеличить время наблюдения за клетками. Это особенно важно для изучения заболеваний, поскольку зрелые нейронные структуры точнее отражают работу настоящего мозга.

Для получения нужной структуры исследователи использовали смесь ПЭГ, воды и этанола. В микрожидкостной системе потоки разделялись, образуя сложный внутренний рельеф. Последующая фиксация вспышкой света закрепляла форму, превращая жидкость в пористый полимерный «губчатый» материал.

Новые горизонты биомиметики

Доцент Иман Ношади отметил, что такой материал даёт биоинженерам контроль над поведением клеток, который раньше был недоступен. Он обеспечивает оптимальные условия для организации клеточных кластеров и формирования взаимодействий между ними.

Пока диаметр созданного каркаса составляет около двух миллиметров, но группа уже тестирует возможности масштабирования. Более того, исследователи адаптировали метод под создание тканей другого типа: недавно была подготовлена публикация о моделировании печёночной ткани тем же подходом.

Следующий шаг — сеть синтетических мини-органов

Учёные ставят долгосрочную цель: создать систему искусственных органов, которые смогут обмениваться сигналами и работать согласованно, подобно компонентам человеческого организма. Такая платформа позволит отслеживать воздействие лекарств на разные органы одновременно и изучать механизмы системных заболеваний.

С точки зрения биомиметики предложенный метод значительно точнее воспроизводит архитектуру мозговой ткани, чем традиционные подходы. Это делает технологию перспективной для изучения нейродегенеративных заболеваний, тестирования лекарств и создания новых методик восстановления нервной ткани.