3D-биопечать – это развивающаяся техника, которая произвела революцию в области регенеративной медицины. Поскольку донорство органов, в том числе и почек, чаще всего не удовлетворяет спрос на пересадку, необходимо искать новое решение, одно из которых – 3D-биопечать. Однако, даже малые напечатанные единицы почечной ткани уже находят свое применение в разных областях биомедицины и фармакологии.
В то время как основная цель регенеративной медицины состоит в обеспечении производства неотторгаемых органов для трансплантации, меньшие напечатанные единицы ткани функциональных почек уже могут быть полезны в других областях.
Скрининг на нефротоксичность
Почка очень чувствительна к токсическому воздействию фармакологических соединений, промышленных, бытовых и экологических химикатов, пищевых добавок и природных веществ [1]. Основная часть исследований нефротоксичности сосредоточена на проксимальных канальцах, где реабсорбция токсичных соединений вызывает повреждение почек.
Из-за ограничений, вызванных предсказуемостью животных моделей, около 90 % потенциальных лекарств приводят к неудачам во время испытаний на людях [2]. Кроме того, доступные in vitro модели для изучения нефротоксичности не полностью отражают биологические функции почек. В доклинических испытаниях только 7 % новых терапевтических средств оказались неэффективными из-за их нефротоксичности, при этом нефротоксические эффекты фармакологических соединений являются причиной острых повреждений почек в 17–26 % случаев в больницах [3]. Даже небольшие структуры напечатанных функциональных почек повысят способность эффективно и действенно тестировать нефротоксичность новых соединений уже на доклинической стадии. Это, с другой стороны, позволило бы досрочно прекратить применение неэффективных лекарств. Последующая модификация терапевтического средства сделает его менее токсичным для почечных клеток. Это также могло бы уменьшить количество экспериментов на животных, необходимых на стадии доклинических испытаний, и могло бы ускорить исследования и снизить затраты на разработку новых фармацевтических препаратов [4].
Были разработаны различные модели in vitro и «почка на чипе» [5], но всем им не хватает функциональности и трехмерной структуры реального нефрона, подобной in vivo. «Почка на чипе» – это микрофлюидное устройство, которое позволяет культивировать почечные клетки и органоиды внутри трехмерных каналов, имитируя физиологическую среду и воспроизводя почечную фильтрацию, абсорбцию и выведение препарата [6]. Как правило, они состоят из монослоя почечных клеток в микрофлюидной камере, в которых отсутствует трехмерная структура реального органа.
Моделирование болезней почек и персонализированная медицина
Хроническая болезнь почек представляет собой группу заболеваний, некоторые из которых имеют многофакторное происхождение, а молекулярные основы заболевания не так хорошо изучены. Следовательно, моделирование заболеваний почек является еще одной важной областью, где 3D-биопечать почки будет иметь большое значение. Специфические болезни почек будут генерироваться либо посредством генно-инженерных стволовых клеток, в которые были введены мутации, которые вызывают заболевание почек [7], либо посредством специфических для пациента индуцированных стволовых клеток. Специфические для пациента органоиды при заболеваниях почек затем можно использовать для быстрого тестирования ex vivo целевой лекарственной терапии или для геномного восстановления генетических дефектов. Модель будет генерировать данные, которые помогут нам лучше понять молекулярный фон и патофизиологию заболевания [8]. Это также было бы полезно в качестве платформы для скрининга новых целевых методов лечения.
Изучение развития почек
Почка состоит из более чем 20 различных специализированных типов клеток и имеет самую сложную структуру после центральной нервной системы. Васкуляризированная напечатанная почка будет играть роль в понимании развития метанефрической почки и ее васкуляризации. Органоиды почек, полученные из стволовых клеток, недавно были использованы для изучения дифференциации подоцитов Это исследование подчеркнуло важность подокаликсина в генерации подоцитов [9].
Регенеративная медицина
Человеческая почка может регенерировать новые канальцевые клетки после острого повреждения, но у нее отсутствует способность создавать новые нефроны после рождения [10]. Таким образом, в настоящее время единственными вариантами лечения пациентов с хронической почечной недостаточностью, у которых развивается терминальная стадия почечной недостаточности, являются диализное лечение и/или трансплантация почки. Поскольку в новой почке нуждается быстрорастущее число людей, целью регенеративной медицины является разработка методов регенерации и восстановления поврежденных участков почки, а также создание целых почек для трансплантации. Современная модель органоидов демонстрирует удивительный потенциал клеточной дифференцировки и тканевой структуры, но для того, чтобы функционировать и выделять мочу, почка должна быть связана с кровообращением и включать выделительную систему.
Долгосрочной целью 3D-биопечати почек является создание трансплантируемой почки, однако более близкой и более реалистичной целью является создание минимальной функциональной единицы почки, позволяющее воспроизвести функциональную почту in vivo.