Китайские, американские и японские исследователи воспользовались 3D-печатью гидрогелем, чтобы создать биомиметические модели полового члена, которые способны к эрекции по механизму, аналогичному физиологическому. В экспериментах с помощью этой технологии удалось восстановить нарушенную эрекцию у кроликов и свиней. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Biomedical Engineering.
Основными функциональными составляющими полового члена служат два пещеристых тела и губчатое тело, окружающее мочеиспускательный канал, которые заключены в белочную оболочку. Пещеристые тела содержат множественные полости (синусы), окружающие проходящую в центре тела кавернозную артерию. Между ними расположено венозное сплетение с отводящими венами. При эрекции кавернозные полости наполняются кровью и сдавливают венозное сплетение, препятствуя оттоку крови, из-за чего давление в пенисе повышается, и он увеличивается в объеме. Плотная белочная оболочка при этом обеспечивает поддержание формы и жесткость. Повреждение пещеристых тел может приводить к эректильной дисфункции, а белочной оболочки — к болезни Пейрони, при которой в ней образуется бляшка из рубцовой ткани, деформирующая орган. Сосудистая сеть пениса — одна из самых сложных в организме, и воссоздать ее искусственно, сохранив функциональность, весьма сложно.
Сюэтао Ши (Xuetao Shi) из Южно-китайского технологического университета с коллегами решил использовать для этих целей 3D-печать, направляемую цифровой обработкой света (DLP). В состав полимеризующихся гидрогелевых чернил вошли акриловая кислота, желатин, полиэтиленгликольдиакрилат, фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфинат лития и тартразин. Получающийся из них материал соответствует механическим свойствам пещеристых тел. Путем многочисленных симуляций исследователи рассчитали конфигурацию полостей, обеспечивающую венозную окклюзию и достижение эрекции, что подтвердили экспериментами с перфузией раствора красителя и эритроцитарной массы в изотоническом солевом растворе.
После испытаний более простых конфигураций авторы работы напечатали полноценную модель полового члена с двумя пещеристыми телами, губчатым телом и головкой, и заключили ее в разработанную и испытанную ими ранее искусственную белочную оболочку. Внося в этот конструкт дефекты, аналогичные патологическим изменениям, они успешно построили модели артериальной эректильной дисфункции, вызванной атеросклерозом, и болезни Пейрони. Эксперименты с культурами человеческих сосудистых клеток и имплантацией гидрогеля под кожу крысам подтвердили биосовместимость материала.
Для опытов по восстановлению искусственно нанесенных дефектов пещеристых тел кроликов и свиней (минипигов) исследователи напечатали соответствующие этим дефектам фрагменты биомиметических пещеристых тел (BCC) и в течение двух недель культивировали часть из них in vitro с клетками кавернозного эндотелия этих животных. Клетки сформировали целостный слой на внутренних поверхностях полостей, сохранив свой фенотип и экспрессию биомаркера CD31. После этого части животных выполнили простое хирургическое ушивание небольших (порядка двух миллиметров у кроликов и нескольких сантиметров у минипигов) дефектов пещеристых тел, части пересадили в такие дефекты бесклеточные BCC и части — BCC с эндотелием.
Использование BCC привело к значимо лучшему восстановлению морфологии пениса и эректильной функции (с электростимуляцией и спонтанной), причем результаты у имплантатов с эндотелием оказались близки к показателям нормальных животных. Структурную адекватность BCC подтвердили с помощью МРТ, гистологические исследования показали интеграцию их клеточного слоя с тканью пещеристых тел, секвенирование РНК выявило хороший уровень роста сосудов и новой ткани и низкую активность воспаления. Спаривание животных с самками продемонстрировало значительное восстановление репродуктивной функции: после простого ушивания дефекта, сопровождавшегося деформацией полового члена, уровень беременностей составил 25 процентов, после использования бесклеточного имплантата — 75 процентов, а после имплантации BCC с клетками достиг 100 процентов.
Полученные результаты свидетельствуют в пользу дальнейшей разработки биомиметических протезов пещеристых тел. Как отмечают авторы работы, для восстановления более крупных повреждений пениса предстоит решить задачу регенерации нервов, уретры и более сложных сосудистых сетей, чем в проведенных экспериментах.
Другое направление в регенерации различных структур пениса (белочной оболочки, пещеристых тел, уретры) состоит в использовании тканевой инженерии, и в этом направлении уже были достигнуты некоторые успехи. Кроме того, уже неоднократно проводились успешные трансплантации полового члена, в том числе с мошонкой, от мертвого донора.