Chinese, American and Japanese researchers have used 3D hydrogel printing to create biomimetic models of the penis that are capable of erection using a mechanism similar to the physiological one. In experiments, this technology was used to restore erectile dysfunction in rabbits and pigs. A report on the work was published in the journal Nature Biomedical Engineering.
The main functional components of the penis are two cavernous bodies and a spongy body surrounding the urethra, which are enclosed in a protein coat. The cavernous bodies contain multiple cavities (sinuses) surrounding the cavernous artery running in 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, which causes the pressure in the penis to increase and it to increase in volume. The dense protein coat maintains its shape and rigidity. Damage to the cavernous bodies can lead to erectile dysfunction, and damage to the protein coat can lead to Peyronie's disease, in which a plaque of scar tissue forms in it, deforming the organ. The vascular network of the penis is one of the most complex in the body, and it is very difficult to recreate it artificially while maintaining functionality.
Xuetao Shi from the South China University of Technology and colleagues decided to use digital light processing (DLP)-guided 3D printing for this purpose. The polymerizable hydrogel ink included acrylic acid, gelatin, polyethyleneglycol diacrylate, lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate, and tartrazine. The resulting material corresponds to the mechanical properties of the cavernous bodies. Through numerous simulations, the researchers calculated the configuration of the cavities that ensures venous occlusion and erection, which was confirmed by experiments with perfusion of a dye solution and red blood cell mass in isotonic saline.
After testing simpler configurations, the authors printed a full-fledged model of the penis with two cavernous bodies, a spongy body, and a head, and enclosed it in an artificial protein shell they had developed and tested earlier. By introducing defects similar to pathological changes into this construct, they successfully built models of arterial erectile dysfunction caused by atherosclerosis and Peyronie's disease. Experiments with cultures of human vascular cells and implantation of the hydrogel under the skin of rats confirmed the biocompatibility of the material.
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.
