Искусственное создание человеческой кожи, тканей и внутренних органов может восприниматься как фантастика, но большая часть всего этого происходит прямо сейчас. В исследовательских центрах и больницах по всему миру достижения в области 3D-печати и биопечати предоставляют новые возможности для лечения людей и научных исследований. В ближайшие десятилетия биопечать может стать следующей важной вехой в здравоохранении и персонализированной медицине.
Расскажем о технологии биопечати, последних достижениях отрасли и ограничениях, с которыми сталкиваются специалисты.
Как работает 3D-принтер
Традиционные принтеры, такие, как у вас дома или офисе, работают в двух измерениях. Они могут печатать текст или изображения на плоской поверхности (обычно на бумаге), используя размеры x (горизонтальный) и y (вертикальный). 3D-принтеры добавляют еще одно измерение — глубину (z). В процессе печати головки принтера могут перемещаться вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад, но вместо того, чтобы доставлять чернила на бумагу, распределяют различные материалы — полимеры, металл, керамику и даже шоколад — до «печати» целостного, объемного предмета, слой за слоем в процессе, известном как «аддитивное производство».
Чтобы создать 3D-объект, нужен его план — цифровой файл, созданный с помощью программного обеспечения для моделирования. После его создания сгенерированная компьютером модель отправляется на принтер. Выбранный вами материал загружен в устройство и готов к нагреву, чтобы легко вытекать из сопла принтера. Когда принтер читает план, его головка перемещается, внося последовательные слои выбранного материала для создания конечного продукта.
Когда каждый слой печатается, он превращается в твердую форму либо путем охлаждения, либо за счёт смешивания двух разных растворов, доставляемых головкой принтера. Новые слои точно ложатся на предыдущие, чтобы получился устойчивый, связный элемент. Таким способом можно создать практически любую форму, включая движущуюся.
3D-печать позволяет создавать объекты с геометрическими структурами, которые было бы трудно или невозможно сделать другими способами. Широкий ассортимент продуктов уже создается с использованием 3D-принтеров, включая ювелирные изделия, одежду, игрушки, высококачественные промышленные товары. Даже 10-летний московский школьник научился работать на 3D-принтере: печатает 3D-фигуры на заказ и продает их через Instagram.
Как работает биопринтер
Биопринтеры работают почти так же, как и 3D-принтеры, с одним ключевым отличием — они наносят слои биоматериала, который может включать живые клетки, для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или ткани кожи.
Живые клетки? Где они их берут? Каждая ткань в организме состоит из разных типов клеток. Необходимые клетки (почек, кожи и так далее) берут у пациента и затем культивируют до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «био-чернил», которые загружаются в принтер. Это не всегда возможно, поэтому для некоторых тканей берут стволовые клетки, которые способны становиться любой клеткой в теле (организме), или, например, свиной коллагеновый белок, морские водоросли и другие.
Материалы для биопечати
На основе компьютерных проектов и моделей, часто сканирований и МРТ, сделанных непосредственно у пациента, головки принтера размещают ячейки именно там, где они необходимы, и в течение нескольких часов органический объект строится из большого количества очень тонких слоев.
Как правило, нужно больше, чем просто клетки, поэтому большинство биопринтеров также поставляют какой-то органический или синтетический «клей» — растворимый гель или коллагеновый каркас, к которому клетки могут прикрепляться и расти. Это помогает им формироваться и стабилизироваться в правильной форме. Удивительно, но некоторые клетки могут принять правильное положение сами по себе без каких-либо «строительных лесов». Как они узнают, куда идти? А как клетки эмбриона развиваются в матке или ткань взрослого человека движется для восстановления повреждений? Так же и здесь.
Университеты, исследователи и частные компании по всему миру вовлечены в развитие технологий биопечати. Давайте посмотрим на некоторые из удивительных вещей, над которыми они работают.
Биопринтинг в России
3D Bioprinting Solutions — лаборатория биотехнологических исследований, основанная медицинской компанией INVITRO. Деятельность лаборатории — разработка и производство биопринтеров и материалов в области трехмерной биопечати и научные исследования. 23 августа 2019 года лаборатория «3Д Биопринтинг Солюшенс» отправила на МКС новую партию кювет для продолжения экспериментов по биопечати в космосе, начатых в 2018 году. Об этом сообщили в пресс-центре лаборатории. На этот раз на первом в мире космическом биопринтере Organ.Aut планируется использовать органические и неорганические компоненты для сборки костной ткани.
Также космонавты будут выращивать белковые кристаллы и экспериментировать с печатью биоплёнок бактерий для изучения их поведения в условиях невесомости. Российские учёные ожидают получить уникальные научные данные, которые могут быть применимы при разработке новых лекарственных препаратов.
Научный руководитель компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» и ведущий научный сотрудник Института регенеративной медицины, кандидат медицинских наук Владимир Миронов в своем выступлении на кафедре анатомии Сеченовского Университета 2 сентября отметил: «Живые клетки, ткани и органы человека будут синтезированы уже в текущем столетии. Для этого морфологические науки, такие как микроскопическая анатомия и гистология, надо оцифровизировать или диджитализировать, то есть перевести в цифровой формат и сделать доступными для компьютерных программ роботических биопринтеров, так как без цифровых моделей нельзя напечатать человеческие ткани и органы».
Биопринтинг в мире
Кости
Ежегодно миллионы людей во всем мире нуждаются в пересадке 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 вызывали отторжение и воспалительные процессы у пациентов. Воспроизведение естественного «интерфейса» кость-хрящ также было проблематичным.
Тем не менее, команда из Университета Суонси в 2014 году разработала технологию биопечати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным. Над аналогичными исследованиями в то же время работали и ученые из Ноттингемского университета в Англии.
Чтобы напечатать небольшую кость, требуется около двух часов. Поэтому хирурги могут сделать её прямо в операционной. Затем эта часть кости покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип клеток. Это сочетается с био-чернилами из принтера — 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 будет заменен новой костью.
Исследователи надеются, что в будущем биопечатаемые кости могут быть созданы с достаточной надежностью, чтобы поддержать сложную реконструкцию позвоночника, и что костный материал будет дополнительно улучшен для повышения его совместимости с клетками хряща.
Хрящи
Источник: ETH Zurich
Успешные опыты 3D-печати человеческого хряща в скором времени могут полностью заменить искусственные имплантаты людям, нуждающимся в реконструктивной хирургии. Еще в 2015 году ученые в Цюрихе разработали технологию, которая позволит больницам печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Они считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по их методике.
Исследователь Матти Кести описал технологию так: “«Серьезная автомобильная авария может привести к тому, что водитель или пассажир получат сложные травмы носа. Нос можно восстановить, создав 3D-модель на компьютере. В то же время выполняется биопсия пациента, и клетки хряща удаляются из тела пострадавшего, например, из колена, пальца, уха или осколков разбитого носа. 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». Матти Кести
Поскольку имплантат был выращен из собственных клеток организма, риск отторжения будет гораздо ниже, чем для имплантата, сделанного, скажем, из силикона. Дополнительное преимущество заключается в том, что биоимплантат растет вместе с пациентом, что особенно важно для детей и молодых людей.
Кожа
Если человек сильно обожжен, 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, и исследователи надеются, что она будет широко доступна в течение следующих пяти лет.
Как уже упоминалось, 3D-принтеры печатают изделия послойно, и поскольку кожа представляет собой многослойный орган с различными типами клеток, она хорошо подходит для данного типа технологий. Тем не менее, исследователям предстоит решить еще много задач, в частности, как предотвратить повреждение клеток от тепла, выделяемого принтером. И конечно же, как и большинство частей человеческого тела, кожа более сложная, чем кажется на первый взгляд — есть нервные окончания, кровеносные сосуды и множество других аспектов, которые необходимо учитывать.
Кровеносные сосуды
Инженер-биомеханик Моника Мойя держит чашку Петри с печатными биотрубками на основе альгината. Биотрубки могут действовать как временные кровеносные сосуды, аналогичные кровеносным сосудам, которые помогают создать участок живой ткани. Источник:embodi3D
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.
Инженер-биомеханик Моника Мойя из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса использует биопечать для создания кровеносных сосудов. Материалы, созданные ее биопринтерами, спроектированы таким образом, чтобы позволить маленьким кровеносным сосудам развиваться самостоятельно.
Эта разработка требует времени, поэтому распечатываются пробирки с клетками и другими биоматериалами, чтобы помочь доставить жизненно важные питательные вещества в окружающую печатную среду. Через некоторое время самосборные капилляры соединяются с биопечатными трубками и начинают самостоятельно доставлять питательные вещества в клетки, имитируя работу этих структур в организме человека.
Внутренние органы
Многие исследователи надеются, что через 20 лет списки пациентов, ожидающих пересадки органов, уйдут в прошлое. Они представляют мир, в котором любой орган может быть напечатан и пересажен всего за несколько часов, без отторжения и осложнений, потому что эти органы будут созданы из клеток тела в соответствии с индивидуальными особенностями каждого пациента. В настоящее время биопечать полностью функциональных сложных внутренних органов невозможна, но исследования постоянно ведутся (и не без успеха).
Мочевой пузырь
Например, мочевой пузырь уже печатают. 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 разрушится, оставив только органический материал. Та же команда успешно создала жизнеспособные уретры.
Почки
Врачи и ученые Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) были первыми в мире, кто создал органы и ткани, выращенные в лабораторных условиях, которые были успешно пересажены в человека. Прямо сейчас они работают над выращиванием тканей и органов для более чем 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.
Доктор медицины, профессор урологии, профессор Института регенеративной медицины Энтони Атала показывает почку, созданную биопринтером. Модифицированный настольный струйный принтер распыляет клетки вместо чернил. Клетки культивировали у пациента, а структурный шаблон для почки получили из МРТ (поэтому он имеет правильный размер и форму). Используя эту технологию, еще в 2001 году Атала напечатал и успешно пересадил мочевой пузырь для молодого человека Джейка. Источник: TedEd
Сердце
Клетки сердца, органоиды, выращенные в лаборатории. Источник
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. Трехмерное сердце с кровеносными сосудами использует персонализированные «чернила» из коллагена, белка, который поддерживает клеточные структуры, и других биологических молекул.
Исследователь из Тель-Авивского университета держит первое в мире трехмерное печатное сердце, 15 апреля 2019 года. Источник: Haaretz
«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.
До сих пор ученым удавалось печатать ткани хряща и, например, аортального клапана, но задача заключалась в том, чтобы создать ткани с васкуляризацией — кровеносными сосудами, включая капилляры, без которых органы не могут выжить, не говоря уже о функционировании.
Тель-авивские ученые начали с жировой людской ткани и разделили клеточные и неклеточные компоненты. Затем они перепрограммировали клетки, чтобы те превратились в недифференцированные стволовые клетки, которые затем могли бы стать сердечными или эндотелиальными. Эндотелий — однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность сердечных полостей, кровеносных и лимфатических сосудов. Клетки эндотелия исполняют множество функций сосудистой системы, например, контролируют артериальное давление, регулируют компоненты свертывания крови и формирование новых кровеносных сосудов.
Неклеточные материалы, включая большое количество белков, были переработаны в «персонализированный гидрогель», который служил «чернилами для печати».
Пройдут годы, прежде чем эта технология сможет создавать органы для эффективной трансплантации. Тем не менее, достижения ученых в Тель-Авиве являются огромной вехой на этом пути.
Медицинские исследования и фармакология
Одна из ключевых потенциальных областей использования биопечатных живых материалов — это область медицинских испытаний и исследований лекарственных препаратов. Биопечатные ткани обладают несколькими типами клеток с разной плотностью и ключевыми архитектурными особенностями. Благодаря этому исследователи могут изучать воздействие различных заболеваний на организм, этапы прогрессирования заболевания и возможные способы лечения в естественной микросреде.
Одним из самых впечатляющих достижений последних лет является разработка «настольного мозга» в Центре передовых технологий ARC в 2016 году. Исследователи смогли с помощью 3D-принтера создать трехмерную печатную шестислойную структуру, включающую нервные клетки, которые имитируют структуру мозговой ткани.
Это открывает огромные потенциальные выгоды для исследователей, фармацевтических и частных компаний, потому что позволит им тестировать новые продукты и лекарства на ткани, которая точно отражает реакции ткани человеческого мозга, в отличие от образцов животных, которые могут вызывать совершенно другую реакцию. «Настольный мозг» также может быть использован для дальнейшего исследования таких заболеваний, как шизофрения или болезнь Альцгеймера.
Мы еще далеки от печати мозга, но способность располагать клетки так, чтобы они образовывали нейронные сети, является значительным шагом вперед. Позволяя исследователям работать с человеческими тканями в режиме реального времени, можно значительно ускорить процессы тестирования и давать более реалистичные и точные результаты. Это также снизит необходимость использования лабораторных животных для медицинских анализов и потенциально опасных испытаний на людях.
Медицинские тренажеры и реестры данных
Источник: Simbionix
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!
Американская компания 3D Systems создала отраслевой сегмент под названием VSP (Virtual Surgical Planning). Этот подход к персонализированной хирургии сочетает в себе знания в области медицинской визуализации, хирургического моделирования и 3D-печати. Хирурги, впервые использующие медицинский симулятор Simbionix, часто сообщают о чувстве физической боли, сопереживая своему виртуальному пациенту — опыт настолько реалистичен. Органы и ткани выглядят совершенно реальными. При сшивании органа хирург видит на экране иглу, попадающую в ткань, и натягивает нить. Если врач делает что-то не так, виртуальные кровеносные сосуды ломаются, и орган начинает кровоточить. Эти симуляторы были разработаны израильской компанией «Симбионикс», которую в 2014 году выкупила 3D Systems.
3 сентября 2019 года Общество радиологии Северной Америки (RSNA) и Американский колледж радиологии (ACR) объявили о запуске нового реестра клинических данных медицинской 3D-печати, чтобы собирать сведения о результатах лечения с использованием 3D-печати по месту оказания медицинской помощи. Эта информация станет мощным инструментом для оценки и улучшения качества обслуживания пациентов в режиме реального времени, будет стимулировать текущие исследования и разработки, информировать пациентов и медицинских работников о наилучшем курсе лечения.
“«Создание объединенного реестра 3D-печати RSNA-ACR имеет важное значение для развития клинической 3D-печати. Реестр позволит собирать данные в поддержку надлежащего использования этой технологии и ее значения для принятия клинических решений». Уильям Уидок, профессор радиологии в Университете Мичигана и председатель RSNA 3D Printing Special Interest Group (SIG)
По данным RSNA, сведения в реестре позволят провести необходимый анализ, чтобы продемонстрировать клиническую ценность 3D-печати. Из-за большого разнообразия клинических показаний, различных технологий для создания физических моделей из медицинских изображений и сложности моделей проблематично выбрать оптимальный метод лечения. Реестр поможет решить эту проблему.
Программное обеспечение для биопечати
Производитель биопринтеров и программного обеспечения для биопечати Allevi 5 сентября 2019 года представил программное обеспечение Allevi Bioprint Pro. Встроенная генерация моделей и интегрированная нарезка позволит больше сосредоточиться на проведении экспериментов, а не на настройке принтера. Программа работает полностью в облаке, а это означает, что можно создавать свои биоструктуры, определять материалы и отслеживать отпечатки прямо из веб-браузера на любом компьютере.
По словам команды разработчиков, новый биопринтер с вышеуказанным ПО мощный и простой в использовании и представляет собой еще один кусочек головоломки на пути к печати органов с помощью 3D-принтера.
В то же время первая компания в сегменте bio-ink CELLINK объявила о выпуске нового продукта, призванного стать самой гибкой платформой для биопечати на рынке. В не имеющем на данный момент аналогов биопринтере BIO X6 реализована возможность объединения большего количества материалов для биопечати, ячеек и инструментов.
Почему всё это так долго?
Сложная структура тела
Тело человека и его различные компоненты намного сложнее пластиковой игрушки. Человеческий орган имеет сложную сеть клеток, тканей, нервов и структур, которые должны быть расположены определенным образом для правильного функционирования. От размещения тысяч крошечных капилляров в печени до фактического получения напечатанного сердца, которое «бьётся» и сжимается в людском теле — еще много исследований и испытаний.
Правовое регулирование
Кроме того, биопечатные технологии, как и все новые медицинские методы лечения, должны пройти тесты безопасности и надлежащие процессы правового регулирования, прежде чем станут доступны.
Специальное программное и аппаратное обеспечение
Также необходимо время для разработки специального программного и аппаратного обеспечения. Написать эти программы можно лишь имея соответствующие данные (медицинские, клинические, статистические, математические и так далее), которые кто-то должен предварительно собрать, проанализировать, систематизировать и перевести в цифровую форму.
Работа над всеми этими этапами требует интеграции технологий из различных областей, включая инженерию, науку о биоматериалах, клеточную биологию, физику, математику и медицину. Так что нам нужно быть немного более терпеливыми.
Главное — знать, что те, кто работает на местах, врачи и инженеры, программисты и ученые каждый день делают успехи как в самой технологии биопечати, так и в понимании того, как ее можно использовать и совершенствовать. Хотя мы еще не совсем там, нет сомнений, что лет через 10-20 медицина будет совсем другой в том числе благодаря биопечати.
Коротко о главном
Биопечать – это расширение традиционной 3D-печати.
Биопринтинг может производить живые ткани, кости, кровеносные сосуды и, возможно, целые органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.
Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем обычная 3D-печать.
Технология биопечати может дать возможность генерировать ткани, специфичные для пациента, для разработки точных, целенаправленных и полностью персонализированных процедур.
Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем создать полностью функционирующие и жизнеспособные органы для трансплантации человеку.
Материалы по теме:
Россия первой в мире напечатала живые ткани в космосе с помощью биопринтера
5 самых удивительных вещей, созданных с помощью 3D-печати
В 2021 году на орбиту отправится ракета, напечатанная на 3D-принтере
«Экспонаты трогать разрешается»: как 3D-печать трансформирует музеи
© Rusbase, 2019 Автор: Надежда Алейник
