Chinese, American, and Japanese researchers used hydrogel 3D printing to create biomimetic penile models capable of erectile function similar to physiological ones. In experiments, this technology successfully restored erectile dysfunction in rabbits and pigs. A report on the study was published in the journal Nature Biomedical Engineering.
The main functional components of the penis are the two corpora cavernosa and the corpus spongiosum surrounding the urethra, all enclosed in the tunica albuginea. The corpora cavernosa contain multiple cavities (sinuses) surrounding the cavernous artery running through the center of the body. Between them is a venous plexus with efferent veins. During an erection, the cavernous cavities fill with blood and compress the venous plexus, preventing blood flow. This increases pressure in the penis and causes it to enlarge. The dense tunica albuginea maintains its shape and rigidity. Damage to the corpora cavernosa can lead to erectile dysfunction, and damage to the tunica albuginea can lead to Peyronie's disease, in which a plaque of scar tissue forms within it, deforming the penis. The vascular network of the penis is one of the most complex in the body, and it is extremely difficult to artificially recreate it while maintaining its functionality.
Xuetao Shi of the South China University of Technology and his colleagues decided to use digital light processing (DLP)-guided 3D printing for these purposes. The polymerizable hydrogel ink contained acrylic acid, gelatin, polyethyleneglycol diacrylate, lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate, and tartrazine. The resulting material matches the mechanical properties of the corpora cavernosa. Through numerous simulations, the researchers calculated the cavity configuration that ensures venous occlusion and erection, which they confirmed through experiments perfusing a dye solution and packed red blood cells in isotonic saline.
After testing simpler configurations, the authors printed a complete penile model with two corpora cavernosa, a corpus spongiosum, and a glans, encasing it in the artificial tunica albuginea they had previously developed and tested. By introducing defects into this construct that mimicked pathological changes, they successfully constructed models of arterial erectile dysfunction caused by atherosclerosis and Peyronie's disease. Experiments with human vascular cell cultures and subcutaneous hydrogel implantation in rats confirmed the material's biocompatibility.
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.
