Организм человека состоит из множества органов и тканей. Если какой-то из органов дал сбой или был потерян, его можно заменить протезом. Всё больше для этого используется технология 3D – печати. Она удешевляет и упрощает производство протезов. Причём можно изготовить протез ноги или руки, который по внешнему виду уже будет больше похож на настоящую конечность, чем обычный протез. А как же быть в том случае, если необходимо заменить какой-либо внутренний орган? Но 3D – печать применима и в этой области, хотя органов, которые можно изготовить таким методом, существует очень мало. Например, специалисты из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали искусственное сердце.
Орган производился с помощью 3D-принтера из силикона. Прототип соответствует сердцу среднего взрослого человека и полностью воспроизводит работу настоящего сердца. Однако отмечается, что из-за применяемого материала он оказался недолговечен: в условиях, приближенных к реальным, имплантат выдерживал порядка трех тысяч сокращений — в норме меньше часа. Тем не менее, по словам авторов, эксперимент указывает на перспективность технологии.
Наиболее перспективной отраслью является 3D-биопринтинг. Это процесс создания тканеподобных структур, имитирующих естественные ткани человека или животного, для которого используются биоматериалы, включающие живые клетки. Да, это то самое, ранее фантастическое, но сегодня уже почти реальное создание органов путем и печати на специальном 3D-оборудовании. По сути, это принтер, который выдает не просто изображение на бумаге, а осязаемый орган. Не иначе как чудом это назвать сложно.
ОТ ОФИСНОГО ПРИНТЕРА К СЛОЖНОЙ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ МАШИНЕ
Первые принтеры для биопечати не были совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях. В 2000-м году биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры для печати фрагментов ДНК. Оказалось, что размер человеческих клеток сопоставим с размерами капли стандартных чернил. Исследования показали, что 90% клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В 2003 году Томас Боланд запатентовал технологию печати клетками. С этого момента печать органов на 3D - принтере перестала казаться фантастикой. За два десятилетия частные исследования в лабораторных условиях превратились в стремительно расширяющуюся индустрию.
КАКИЕ МАТЕРИАЛЫ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ 3Д – БИОПЕЧАТИ
В технологии используется специальный материал – биочернила - для создания биоструктур послойно. По сути, биопечать работает аналогично обычной 3D-печати. Цифровая модель слой за слоем становится физическим трехмерным объектом. Однако в этом случае вместо термопласта используется суспензия (смесь) живых клеток.
Необходимые живые клетки (почек, кожи и т.д.) берут у пациента и затем культивируют (выращивают в искусственной среде) до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «биочернил», которые загружаются в принтер. Это не всегда возможно, поэтому для некоторых тканей берут стволовые клетки, которые способны становиться любой клеткой в организме.
Биочернила могут состоять только из клеток, но в большинстве случаев к ним добавляется дополнительный материал-носитель, который обволакивает клетки. Он обычно представляет собой биополимерный гель, который действует как трехмерный молекулярный каркас. Клетки прикрепляются к этому гелю, и это позволяет им распространяться, расти и размножаться в этой среде. Важно отметить, что гель также может обеспечивать защиту клеток от негативного воздействия во время процесса печати.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
Принцип примерно тот же, что и в обычной 3D-печати: на специальном принтере мы получаем трехмерный объект.
Процесс биопечати состоит из стандартной серии этапов:
- 3D-визуализация: чтобы получить точные размеры ткани или органа, используется стандартная компьютерная томография или магнитно-резонансная томография.
- 3D-моделирование: модель создается с помощью специального программного обеспечения. На этом этапе можно выполнить точную калибровку, чтобы избежать дефектов.
- Биопечать: процесс 3D-печати включает нанесение биочернил слой за слоем. Смесь экструдируется(выделяется) из сопла в виде высоковязкой жидкости.
- Затвердевание: по мере осаждения слой начинает превращаться в вязкую жидкость и затвердевает, чтобы сохранить свою форму. Это происходит по мере непрерывного нанесения большего количества слоев.
- Затем полученную структуру помещают в биосреду, где она «дозревает» перед пересадкой. Это — самый долгий этап: он может длиться несколько недель. За это время структура стабилизируется, а клетки готовы выполнять свои функции.
ЧЕМ МОЖЕТ ПОХВАСТАТЬСЯ БИОПРИНТИНГ НА ДАННЫЙ МОМЕНТ?
- Кости
Современные костные трансплантаты часто используют синтетический материал на основе цемента в сочетании с собственной костью пациента. Однако применение этих материалов имеет ряд ограничений — некоторые трансплантаты вызывают отторжение и воспалительные процессы у пациентов. Тем не менее, команда из Университета Суонси в 2014 году разработала технологию биоечати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным. Чтобы напечатать небольшую кость, требуется около двух часов. Затем эта часть кости покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип клеток. Это сочетается с комбинацией полимолочной кислоты (которая обеспечивает механическую прочность кости) и альгината — гелеобразного вещества, которое служит амортизирующим материалом для клеток. Затем конечный продукт имплантируется в организм, где в течение примерно трех месяцев полностью исчезнет и затем заменяется новой костью.
- Хрящи
Успешные опыты 3D-печати человеческого хряща в скором времени могут полностью заменить искусственные имплантаты. Еще в 2015 году ученые в Цюрихе разработали технологию, которая позволит печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Сначала выполняется биопсия пациента, и клетки хряща удаляются из тела пострадавшего. Клетки нерестятся в лаборатории и смешиваются с биополимером. Из этой суспензии с помощью биопринтера создается модель хряща носа, которая имплантируется пациенту во время операции. В процессе биополимер используется просто как форма. Впоследствии он расщепляется собственными хрящевыми клетками организма. И через пару месяцев невозможно будет различить трансплантат и собственный носовой хрящ человека.
Поскольку имплантат выращен из собственных клеток организма, риск отторжения будет минимальный. Дополнительное преимущество заключается в том, что биоимплантат растет вместе с пациентом, что особенно важно для детей и молодых людей.
- Кожа
Если человек получил ожог, здоровую кожу можно взять из другой части тела и использовать для покрытия пораженного участка. Иногда неповрежденной кожи не хватает. Исследователи, работающие в Медицинской школе Уэйк Форест, успешно разработали, построили и протестировали принтер, который может печатать клетки кожи непосредственно на ожоговой ране. Сканер очень точно определяет размер и глубину повреждений. Эта информация передается на принтер, и печатается кожа для покрытия раны. В отличие от традиционных кожных трансплантатов, требуется только участок кожи, размер которого составляет одну десятую от размера ожога, чтобы вырастить достаточное количество клеток для печати. Пока эта технология находится на экспериментальной стадии.
- Кровеносные сосуды
Учитывая, что в теле человека десятки тысяч километров вен, артерий и капилляров, исследователи работают над тем, чтобы заменить их, если они когда-нибудь износятся. Создание жизнеспособных кровеносных сосудов также важно для правильной работы всех других потенциальных биопечатных частей тела. Немецкий ученый Гюнтер Товар, возглавляющий Институт межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера, занимается проектом под названием BioRap. Его задача состоит в применении 3D-принтера для печати кровеносных сосудов. Напечатанные кровеносные системы тестируются на животных – для внедрения в организм человека они пока не готовы. Однако в конечном итоге они сделают возможной пересадку печатных органов.
- Мочевой пузырь
В 2013 году в Университете Уэйк Форест в США исследователи успешно взяли клетки из исходного, плохо функционирующего мочевого пузыря пациента, культивировали их и добавили дополнительные питательные вещества. Затем была напечатана трехмерная форма мочевого пузыря пациента и пропитанные через нее культивируемые клетки. Форма была помещена в инкубатор и, когда она достигла нужной кондиции, её пересадили в тело пациента. Форма со временем разрушилась, оставив только органический материал. Та же команда успешно создала жизнеспособные уретры.
- Почки
Врачи и ученые Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) работают над выращиванием тканей и органов для более 30 различных областей тела: от почек и трахеи до хрящей и легких. Также они стремятся ускорить доступность этих методов лечения для пациентов.
Ученые в Австралии тоже занимаются подобными исследованиями. Они использовали человеческие стволовые клетки для выращивания почечного органа, который содержит все необходимые типы клеток для почек. Такие клетки могут служить ценным исходным источником для биопечати более сложной структуры почек.
- Печень
В ноябре 2014 появилась новость о том, что специалистам из американской компании Organovo удалось напечатать печень на 3D принтере. На этот раз американские ученые успешно воссоздали рабочую человеческую ткань, которая сохраняла свои способности в течение 5 недель. Напечатанный орган предназначался для тестирования лекарственных препаратов, однако изобретатели не отрицают, что в скором времени приспособят свое оборудование для создания донорских органов.
- Щитовидная железа
Ученые из России тоже преуспели в области биопротезирования. 3D Bioprinting Solutions – единственная организация из России, занимающаяся биопечатью. В начале 2015 года бионженерам удалось напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Штучный орган успешно пересадили подопытной мыши.
- Сердце
Удивительно, но именно сердце человека может стать одним из самых легких органов для печати, поскольку оно, по сути, представляет собой насос с трубками. Конечно, всё не так просто, но многие исследователи считают, что человечество научится печатать сердца раньше, чем почки или печень.
Исследователи Института регенеративной медицины Уэйк Форест в апреле 2015 года создали «органоиды» — напечатанные на 3D-принтере полностью функциональные, бьющиеся сердечные клетки.
В апреле 2019 года израильские ученые напечатали первое в мире трехмерное сердце. Оно еще очень маленькое, размером с вишню, но способно выполнять свои функции.
«Это первый случай, когда кто-либо где-либо успешно спроектировал и напечатал целое сердце с клетками, кровеносными сосудами, желудочками и камерами», — рассказал ученый Тель-Авивского университета профессор Тал Двир.
ПРИМЕНЕНИЕ БИОПЕЧАТИ
Вот несколько основных областей применения биопечати:
1) Биопринтинг востребован в области протезирования. 3D – биопечать даёт возможность печатать органы из собственной ткани человека, которому будет трансплантирован орган, что почти исключает отторжение пересаженных органов и обеспечивает наилучшую приживаемость.
2) Разработка тканей для фармацевтических испытаний является более экономичным и этичным вариантом, чем испытания на живых существах. Это помогает выявлять побочные эффекты лекарств и позволяет вводить рекомендованные лекарства людям с проверенными безопасными дозировками. Благодаря этому исследователи могут изучать воздействие различных заболеваний на организм, этапы прогрессирования заболевания и возможные способы лечения в естественной микросреде.
3) Хирургическая практика. В настоящее время в мире используется около 3000 медицинских тренажеров, помогающих врачам практиковаться в выполнении сложных процедур. Виртуальные кровеносные сосуды, 3D-печатные органы… и ни одно животное не страдает!
4) Применение биопечати в косметологии: биоинженеры планируют сканировать лица молодых людей и спустя несколько лет накладывать их поверх постаревших. Неужели пластические операции потеряют свою актуальность? Время покажет.
5) Биопечать может также использоваться и в производстве таких продуктов питания, как мясо и овощи.
ПОЧЕМУ НАПЕЧАТАННЫЕ ОРГАНЫ ДО СИХ ПОР НЕ ПЕРЕСАЖИВАЮТ?
Первая проблема заключается в том, что у клеток есть предел деления, после которого они уже не пригодны для использования. Поэтому можно напечатать модель сердца, но не в натуральную величину — то есть оно не подходит для пересадки человеку.
Вторая проблема — в том, что напечатанный орган должен функционировать в связке с остальным организмом: переваривать пищу, выделять гормоны, доставлять кровь и кислород. За все это отвечает сложная система клеток, тканей, нервов и сосудов. Воспроизвести ее в точности пока что не получается.
Программное обеспечение для биопринтеров тоже на стадии разработки: чтобы довести его до совершенства, нужно обработать большой объем медицинских, клинических и статистических данных.
Поэтому эксперты прогнозируют внедрение технологий не раньше, чем через 10—15 лет. Биопринтинг может стать достойной заменой донорству органов, ведь ждать почку, печень или сердце иногда приходится годами. И пациенты часто не доживают до этого. Остаётся надеяться, что к тому времени биопринтеры получат широкое распространение.
ВЫВОДЫ
- Биопринтинг может производить живые ткани, кости, кровеносные сосуды и целые органы для использования в протезировании (причём с минимальной вероятностью отторжения), тренировках медперсонала и тестировании лекарств.
- Врачи уже сейчас успешно создают некоторые органы и ткани и трансплантируют их в организм человека.
- Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленно.
- Создание таких сложных полноценных органов как сердце, печень, а уж тем более мозг еще впереди.
Из всего вышесказанного ясно, что 3D – биопечать – это перспективное направление медицины, находящееся на активной стадии развития. Она, несомненно, оправдает свою ценность не только с позиции эффективности, но и с этической точки зрения. Будем надеяться, что использование данной технологии в будущем будет доступно большинству людей на нашей планете, и тем самым качество жизни повысится.