Сколько стоит напечатанный на 3d принтере орган. Создан первый серийный биопринтер. Обработка конструкционных блоков
Биопечать – одно из самых революционных направлений 3D печати. От того, как будет развиваться эта технология, зависит будущее медицины.
Что подразумевается под словом “биопечать”?
Сегодня активно разрабатываются 3D принтеры для печати пищевых продуктов – шоколада, сахара, желе и т. д. Параллельно развивается другое направление – ученые пытаются выращивать мясо или клетчатку на основе водорослей в лабораторных условиях. Биопечать находится где-то посередине между этими подходами – между генетикой и 3D печатью.
3D технологии уже сегодня повлияли на разработку медицинских имплантов. Сегодня врачи рассчитывают трансплантанты, которые идеально подходят пациенту, путем 3D сканирования поврежденного участка, формирования 3D модели, и распечатки на 3D принтере.
Но и медицина, со своей стороны, также повлияла на молодую индустрию 3D печати: создаются новые материалы для принтеров – с гипоаллергенностью, высокой биосовместимостью и низкой отторгаемостью. Как правило, это керамика или специальный биосовместимый пластик.
Печать органов
Органы бывают разные – какие-то печатать проще, какие-то сложнее. Начнем с более простых процессов и перейдем к сложным:
- Плоские структуры, как правило с одним или двумя типами клеток, то есть создание кожи человека для пересадки на место поврежденных участков, например обожженных;
- Трубчатые структуры, в основном с двумя типами клеток, для создания кровеносных сосудов;
- Полые органы. Сложности возникают в желудке или мочевом пузыре, при выполнении ими сложных функций и взаимодействии с другими органами.
- Функциональные органы, состоящие из множества видов клеток, сложно взаимодействующих между собой. Прежде всего, это сердце, печень и почки.
Регенеративная медицина уже доказала, что может успешно имплантировать выращенные в лаборатории версии первых трех типов органов. Исследователи надеются, что по мере развития индустрии 3D-печати органы для пересадки можно будет перевести ан массовое производство.
На сегодняшний день имплантировались выращенные в лабораториях кожа, мочевые пузыри и трахеи – эти части тел медленно выращивали за счет сочетания искусственных опор и живых человеческих клеток. 3D-технологии печати предлагают большую скорость и компьютерную точность в формировании слоя живых клеток.
Создание на 3D принтере сложных органов пока что остается фантастикой. Напечатать сердце или печень из клеток пациента еще никому не удалось, хотя первые осторожные шаги уже сделаны: 3D технологии используются для создания крошечных кусков органов.
Как печатаются органы
Для выращивания органов создаются искусственные опоры. По форме они идентичны самому органу. На их поверхность производится посев живых клеток.
С помощью этого метода вырастили искусственные мочевые пузыри для первых имплантаций пациентам в 1999 году. Прошло более 10 лет, 3D принтеры стали совершеннее, и теперь они могут печатать как искусственные опоры, таки и живые клетки одновременно.
Некоторые лаборатории прогнозируют, что в скором времени можно будет обходиться без искусственных опор, используя тенденцию живых клеток к «самоорганизации». Опорный материал в конечном итоге будет просто растворяться (для чего может использоваться гидрогель – вязкий водный состав), не влияя на живые клетки, но оставляя исходную структуру ткани в заданном положении. При этом проблемой является прочность и целостность созданной структуры.
Ученые из Organovo экспериментируют с созданием крошечных кусочков печени, которые должны стать «строительными блоками». 3D-принтеры компании уже могут располагать блоки послойно, что позволяет живым клеткам расти вместе. Стволовые клетки пациента могут обеспечить материал для 3D-печати органа, который организм не станет отвергать.
Существующие проблемы
Возможность печати полноразмерных функционирующих органов зависит от того, удастся ли ученым создавать полноценные кровеносные сосуды. Сосуды будут поставлять органам богатую питательными веществами и кислородом кровь, что позволит сохранить ткань здоровой. До сих пор ни в одной лаборатории не удалось создать 3D-печатные органы с сетью кровеносных сосудов.
Компания Organovo экспериментирует с 3D печатью кровеносных сосудов 1 мм или больше в диаметре. Им удалось построить ткани, содержащие крошечные кровеносные сосуды размером 50 микрон. Этого достаточно, чтобы поддерживать фрагмент органа миллиметровой толщины.
Даже лучшие 3D принтеры не могут создавать системы мельчайшего масштаба для строительства кровеносных сосудов и органов. Многие исследователи считают, что решение заключается в изучении тенденции к самоорганизации живых клеток. Это позволит печать ткани в десятки или сотни микрон, а затем клетки будут самостоятельно развиваться и правильно организовываться.
Перспективы биопечати
Итак, что такое биопечать? Это индустрия, которая в будущем будет спасать жизни миллионов, создавая импланты и органы «по заказу». По прогнозам исследователей, это произойдет через 10-15 лет.
В настоящее время создаются крошечные фрагменты сердца, печени и почек. Они используются для тестирования всевозможных лекарств или влияния заболеваний и отравляющих веществ на ткани.
UPD : Владельцы лаборатории - Инвитро - теперь есть на Хабре. Занёс в их корпоративный блог. С вопросами можно обращаться к ним напрямую.
Это из новой лаборатории 3D-печати органов. Спереди внушительный микроскоп, дальше видно двух медицинских инженеров за AutoCAD – делают макет площадки для формирования тканевых сфероидов.
Тут недавно открылась лаборатория 3D-биопринтинга органов (проект Инвитро). Вокруг неё творится какая-то лютая феерия непонимания того, что именно делается. В общем, хоть я и не микробиолог, но мне стало интересно. Я пробился до разработчика - В.А. Миронова. Именно он изобрёл технологию печати органов и запатентовал это в США, участвовал в разработке уже трех модификаций биопринтеров, и именно он «главный по науке» в новой лаборатории в Москве:
В.А. Миронов (M.D., Ph.D., профессор с 20-летним опытом в микробиологии, в частности, на границе с IT) - в процессе полуторачасового объяснения мне сути технологии изрисовал кучу бумаги.
В двух словах о печати он рассказать не смог, потому что сначала надо понять некоторую историю вопроса. Например, почему пришлось отбросить светлую идею растить эмбриона без головы в суррогатной матери, а затем вынимать из него почку и помещать её в биораставор для ускоренного созревания.
А пока главное. Не торопитесь пить всё что горит: до новой печени ещё очень далеко . Поехали.
Эволюция методов
Итак, сначала была генная терапия : пациенту вводились соответствующие комплексы. Выделялись определённые клетки, в них вводились нужные гены, затем клетки размещались в организме человека. Не хватало инсулина – вот ген, который продуцирует его создание. Берём клеточный комплекс, модифицируем, вкалываем пациенту. Идея – отличная, правда с одним коренным недостатком: пациент вылечивается сразу, и покупать после операции ничего не надо. То есть догадайтесь, кому это было поперёк горла. Дело шло сложно, а потом один из пациентов умер – и началась характерная для США волна судебных исков и запретов, в результате чего исследования пришлось свернуть. В итоге – метод есть, но толком не оттестирован.Следующим трендом стала клеточная терапия - использование эмбриональных стволовых клеток. Метод отличный: берутся «универсальные» клетки, которые могут быть развиты до любых необходимых пациенту. Проблема в том, что чтобы их где-то получить, нужен эмбрион. Эмбрион в процессе получения клеток, очевидно, расходуется. А это уже морально-этическая проблема, которая вызвала запрет использования таких клеток.
Дальше - тканевая инженерия – это когда вы берёте основу, кладёте на неё клетки, засовываете всё это в биореактор, на выходе получаете результат (орган), который нужен пациенту. Как протез, только живой. Вот здесь важный момент: основное отличие от протеза в том, что протез изначально из неорганики, и вряд ли когда-нибудь встроится в организм «как родной». Деревянную ногу не почешешь.
Методы тканевой инженерии бывают каркасные – когда используется выщелоченный (обесклеченный) трупный орган, который затем «заселяется» клетками пациента. Другие научные группы пробовали работать со свиными белковыми каркасами органов (доноры-люди не нужны, зато во весь рост встаёт иммуносовместимость). Каркасы бывают искусственные – из разных материалов, некоторые научные группы экспериментировали даже с сахаром.
Сам Миронов практикует бескаркасную технологию (с использованием гидрогеля в качестве основы). В его методе основа-полимер быстро деградирует и в итоге остаётся только клеточный материал. Проще говоря, сначала вставляется каркас из неограники с размещёнными клетками, а затем каркас «растворяется», и его функции берут на себя сами клетки уже подросшего органа. Для каркасов используется тот же материал, что для хирургических швов: он легко и просто деградирует в организме человека.
Тут главный вопрос – почему нужна именно 3D-печать. Чтобы это понять, давайте закопаемся ещё чуть глубже в имеющиеся методы тканевой инженерии.
Приближаемся к цели
Вообще, идея вставлять в человека заранее выращенный органический орган – отличная. Посмотрим на три варианта развития технологии:- Вы берёте каркас из неорганики, засеиваете его клетками – и получаете готовый орган . Метод грубый, но работающий. Именно про него речь в большинстве тех случаев, когда говорят «мы напечатали орган». Проблема в том, что где-то нужно взять «стройматериал» - сами клетки. А если они есть, то глупо использовать какой-то внешний каркас, когда есть возможность просто собрать орган из них. Но самая болезненная проблема – неполная эндотелизация. Например, для бронхов, сделанных так, уровень - около 70%. Это значит, что поверхностные сосуды тромбогенны – вылечивая пациента, вы сразу же привносите ему новую болезнь. Дальше он должен жить на гепарине или других препаратах, либо ждать, когда образуется тромб и эмболия. А здесь уже с нетерпением ждут юристы США, которые готовы отыграть по старому сценарию. И проблема эндотелизации пока не решена. Возможный вариант – выделение клеток-предшественников костного мозга с помощью мобилизации специальными препаратами и хомингом на органе, но это пока очень далёкая от практики фантазия.
- Второй метод крайне оригинален и очень радует своей циничностью . Берём клетку (фибробласт) пациента, добавляем 4 гена. Кладём полученную клетку в бластоцисту (зародыша животного) и начинаем выращивать зверушку. Получается, например, свинья с человеческой поджелудочной железой – так называемая химера. Орган полностью «родной», только вся инфраструктура вокруг – кровеносные сосуды, ткани и так далее – от свиньи. А они будут отторгаться. Но ничего. Мы берём свинью, вырезаем нужный орган (свинья при этом полностью расходуется), а затем убираем с помощью специальной обработки все свиные ткани – получается как бы органический каркас органа, который можно использовать для выращивания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующий лафхак: давайте заменим свинью на суррогатную мать. Тут как: кроме 4 генов в клетку добавляется ещё один, отвечающий за ацефалию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает нашего общего друга-эмбриона. Он развивается без головы, у ацефалов это хорошо получается. Затем – УЗИ, выяснение, что ребёнок получается неполноценный, и юридически-разрешённый аборт. Нет головы – нет человека, значит, никого мы не убивали. И тут – раз! - у нас тут появился теоретически легальный биоматериал с неразвитым органами пациента. Быстро имплантируем их! Из очевидных минусов – ну, кроме моральной стороны – организационная сложность и возможные юридические осложнения в будущем.
- И, наконец, есть третий метод, про который и идёт речь . Он же самый современный - трёхмерная печать органов. И именно им занимаются в новой лаборатории. Смысл такой: не нужны неорганические каркасы (клетки сами себя прекрасно держат), не нужно у кого-то брать органы. Пациент отдаёт немного своей жировой ткани (есть у каждого, в ходе экспериментов жаловались только тощие японцы), из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки. На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией. В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.
- Получение модели органа. Нужно где-то взять схему. Это довольно просто.
- Получение самих клеток. Очевидно, нам нужен материал для печати органа.
- Сборка принтера, чтобы клетками можно было печатать (куча проблем с образованием структуры органа).
- Гипоксия (отсутствие кислорода) во время создания органа.
- Реализации питания органа и его созревание до готовности.
Модель органа
Итак, берётся CAD-файл (сейчас - формат stl) с моделью органа. Проще всего получить модель, сделав трёхмерное сканирование самого пациента, а затем доработав данные руками. Сейчас текущие конструкты моделируются в AutoCAD.
Видно моделирование. 3D-структура как у обычной детали – только вместо пластика будут тканевые сфероиды.
Материал
Берётся материал – тканевые сфероиды, которыми будет идти запечатка. В качестве основы используется гидрогель, выполняющий функции соединительной структуры. Затем 3D-принтер печатает орган из этих вот тканевых сфероидов.
Первый опыт, подтверждающий, что из кусочков можно собрать целый орган: учёные разрезали на фрагменты сердце цыплёнка и срастили заново. Успешно.
Теперь вопрос – где взять клетки для этого материала. Лучшие – человеческие эмбиональные стволовые, из них можно сделать клетки для любой ткани последовательной дифференцировкой. Но их трогать, как мы знаем, нельзя. Зато можно брать iPS – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Их можно сделать из костного мозга, пульпы зуба или обычной жировой ткани пациента – и их производят различные компании по всему миру.
Схема такая: человек обращается в клинику, делает липосакцию, жировая ткань замораживается и кладётся в репозиторий. При необходимости – достаётся, из неё делаются нужные клетки (ATDSC, один такой комплекс есть в России) и затем дифференцируются по назначению. Например, из фибробластов можно сделать iPS, из них – почечный эпителий, а дальше – функциональный эпителий.
Машины для автоматического получения таких клеток производятся General Electric, например.
Центрифуга. Первый этап отделения материала из жировой ткани.
Из этих клеток формируются шарики в специальных микроуглублениях на твёрдом материале. В углубление на молде помещается клеточная суспензия, затем клетки сращиваются, и образуется шарик. Точнее – не очень ровный сфероид.
Обработка конструкционных блоков
Следующая проблема – клетки в картдидже горят желанием срастись. Тканевые сфероиды должны быть изолированы друг от друга, иначе они начнут срастаться раньше срока. Их нужно инкапсулировать, и для этого используется гиалуроновая кислота, получаемая из сыворотки крови. Её надо совсем мало – просто один тончайший слой. Она также быстро «уходит» после печати.Печать
Головка 3D-принтера имеет три экструдера: две форсунки с гелем и устройство, выдающее тканевые сфероиды. В первой форсунке с гелем – тромбин, во второй – фибриноген. Оба геля относительно стабильны, пока не соприкасаются. Но когда белок фибриноген расщепляется тромбином, образуется фибрин-мономер. Именно им как бетоном скрепляются тканевые сфероиды. При глубине слоя, соответствующей диаметру сфероида, можно последовательно наносить материал ряд за рядом – сделали слой, закрепили, перешли к следующему. Затем фибрин легко деградирует в среде и вымывается при перфузии, и остаётся только нужная ткань.
Вот так будут печататься трубочки
Принтер печатает слоями по 250 микрометров: это баланс между оптимальным размером блока и риском гипоксии в сфероиде. За полчаса можно напечатать тканево-инженерную конструкцию 10х10 сантиметров – но это ещё не орган, а тканево-инженерная конструкция, «сопля» на жаргоне. Чтобы конструкция стала органом, она должна жить, иметь чёткую форму, нести функции.
Микроскоп с огромным фокусным расстоянием смотрит на стеклянный куб с 3D-принтером.
Печатающая головка. Пока идут тесты комплекса на пластике. Принтер сейчас печатает расходный материал, пластиковые приспособления-молды для создания сфероидов. Параллельно идут тесты стерильного бокса для 3D-принтера при работающем электронном устройстве.
Постобработка
Главный вопрос – это то, что клеткам, вообще-то, не плохо бы иметь доступ к кислороду и питательным веществам . Иначе они начинают, грубо говоря, гнить. Когда орган тонкий, проблем нет, но уже с пары миллиметров это важно. Правда, у слона, например, есть хрящи до 5 миллиметров – но они вмонтированы там, где создаётся большое давление из-за массы остального слона. Так вот, чтобы напечатанный орган не испортился в процессе фабрикации, нужна микроциркуляция. Это делается печатью настоящих сосудов и капилляров, плюс с помощью тончайших перфузионных отверстий, проделываемых неорганическими инструментами (грубо говоря, конструкционные блоки поступают на полимерном «шампуре», который потом вынимается).
Уплотнение ткани
Тканевое объединение нескольких типов клеток без смешения
Будущий орган помещается в биореактор. Это, сильно упрощая, банка с контролируемой средой, в которой на входы и выходы органа подаются нужные вещества, плюс обеспечивается ускоренное созревание за счёт воздействия факторами роста.
Вот что интересно - архитектура органа обычно похожа на привычный по ООП инкапсулированный объект – артерия входа, вена выхода – и куча функций внутри. Предполагается, что биореактор позволит обеспечивать нужный вход и выход. Но это пока теория, собрать ещё не удалось ни одного. Но проект отработан до стадии «можно собирать прототип».
Висело в лаборатории. Видно первый этап: получение базовых элементов, второй – 3D-принтер с тремя экструдерами, третий – уход от прототипа к промышленной модели, затем испытания на животных, затем выход на IPO и установка людям.
Линия целиком - клеточный сортер, фабрикатор тканевых сфероидов, принтер, перфузионная установка
Рынки
Теперь кому всё это нужно на стадии, пока нет самих органов.Первые же крупные клиенты – военные . Собственно, как не трудно догадаться, DARPA ходит в гости ко всем учёным, занимающимся такой темой. У них два применения – испытательное (много что нельзя испытывать на живых людях, а хочется – отдельный орган был бы очень кстати) и лечебное. Например, бойцу демократии отрывает руку, а до госпиталя ползти сутки. Хорошо бы закрыть дыру, снять боль, дать ему возможность стрелять ещё 5 часов, а затем на своих двоих прийти к медсестре. В теории возможны либо роботы, которые соберут всё это по месту, либо заплатки из человеческих тканей, которые уже сейчас всерьёз думают ставить на ожоги.
Второй клиент – фарма . Там лекарства испытываются по 15 лет до выхода на рынок. Как шутят американцы, проще убить коллегу, чем мышку. На мышку надо собрать кучу документов в руку толщиной. Сертифицированные мышки получаются в результате очень дорогие. Да и результаты по зверьку отличаются от человеческих. Существующие модели испытаний на плоских клеточных моделях и на животных не достаточно ревалентны. В лаборатории мне сказали, что примерно 7% новых лекарственных формул в мире не доходят до клинических испытаний из-за нефротоксичности, выявленной на стадии преклинических испытаний. Из тех, что дошли, около трети имеют проблемы с токсичностью. Именно поэтому, кстати, одна из первых задач - проверка функциональности нефронов, сделанных в лаборатории. Ткани и органы с принтера будут существенно ускорять разработку лекарств, а это огромные деньги.
Третий клиент – госпитали. Рынок трансплантации почек с США, например – 25 миллиардов долларов. Сначала предполагается просто продавать 3D-принтеры в больницы, чтобы пациент мог получить что нужно. Следующий (теоретический) шаг – создание комплексов для печати органов прямо внутри пациента. Дело в том, что миниатюрную печатающую головку внутрь больного доставить часто намного проще, чем крупный орган. Но это ещё пока мечты, хотя нужные роботы существуют.
Вот примерно так оно должно работать
Да, здесь есть ещё одна важная тема: параллельно ведутся исследования по управлению тканевыми сфероидами за счёт магнитной левитации. Первые опыты были простые – в ткань засовывались железные «наноопилки», и сфероиды действительно летали как надо в магнином поле и доставлялись по месту. Но страдала дифференцировка. С опилками сложно выполнять нужные функции. Следующий логичный шаг – металл в инкапсулирующем слое. Но ещё круче – микроскафолды с магнитными частицами. Эти скафолды охватывают сфероид и ещё могут выступать в роли каркаса-соединителя, встающего сразу по месту, что даёт огромный простор для оперативной печати органов.
Одной из самых успешных областей медицины для 3D печати, пожалуй, можно назвать протезирование. Ведь при нынешних возможностях, люди стали получать разительно более дешевые и в то же время более качественные протезы практически всех костей в человеческом организме.
Кроме этого, в будущем, нас наверняка ждет колоссальный прорыв в трансплантологии. Над этим прорывом работает целая отрасль, именуемая 3D-биопечатью. Суть биопечати в том, чтобы в буквальном смысле изготавливать человеческие органы на специально разработанных 3D принтерах. Звучит такая перспектива, скажем прямо, как нечто из научной фантастики. Однако уже сегодня в этой сфере есть немало побед. Так, например, нам известно, что в ряду достижений ученых числится успешно вживленная в тело мыши распечатанная печень! По словам экспертов, в перспективе примерно 10-ти лет, мы сможем проводить аналогичные операции, но уже с людьми.
Что же до людей, которые как известный всем Фома не могут поверить до тех пор, пока не пощупают, можно привести в пример стоматологию. Уже сегодня, мы имеем повсеместное внедрение 3D печати в эту область медицины. Мудрые стоматологи по всему миру уже смекнули, что зубные протезы, распечатанные на 3D принтере, проще в изготовлении и имеют более точные параметры, нежели протезы произведенные вручную.
Словом, количество и качество достижений и перспектив, которые привнесла 3D печать в медицину, дает нам полное право говорить о том, что аддитивное производство - это новая веха в научно-технологической жизни человечества, ведь не каждая технология может похвастаться тем, что она спасает жизни людей.
Печать органов на 3d принтере открывает новые возможности
Особого внимания заслуживают возможности в сфере протезирования и создания экзоскелетов. Эти технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ:- Изготовление занимает совсем немного времени благодаря специальным программам (например, Mimics, SurgiCase, SimPlant или других, используемых в медицине).
- Стоимость на несколько порядков ниже, чем при использовании обычных технологий.
- Учет индивидуальных характеристик и потребностей конкретного пациента обеспечивает комфорт, а значит, больше не нужно «подтачивать» уникальную ткань под стандартную заготовку.
Увы, на современном этапе напечатанные органы не воссоздают поврежденный оригинал, но способны функционально его заменить. Например, искусственные сердечные клапаны, суставы, зубы, слуховые аппараты и элементы конечностей с успехом выполняют функции имплантатов.
Последним же ноу-хау является печать органов на 3d принтере, при которой используется биоматериал вместо пластика или смол.
На данный момент разработаны две методики: печатать органы живыми клетками, заполняя окружающее пространство специальным коллагеновым гелем, или же помещать клетки на поверхности (или внутри) напечатанной принтером пластиковой формы. Первый способ позволил вырастить ткань кожи, второй - живую печень и почку, которые планируют использовать для экспериментов.
По подсчетам ученых, до времени, когда можно будет свободно распечатывать органы на 3d принтере, осталось лет 10.
Ученые давным-давно «заболели» идеей о выращивании органов в лабораториях, однако существенных прорывов и достижений в этих исследованиях науке удалось достичь только в конце 90-х годов прошлого века, когда всеобщее внимание привлекла биопечать. Как пишет Engadget, благодарить за это стоит ученых из Института регенеративной медицины Уэйк Форест, первых подавших идею, создавая 3D-напечатанные синтетические строительные блоки, необходимые для выращивания человеческих мочевых пузырей. Как отмечает источник, на самом деле эти ученые не печатали мочевые пузыри. Это произошло только в начале 2000-х годов, когда биоинженер Томас Боланд из Университета Клемсона начал модифицировать обычные чернильные принтеры для возможности использования в них биологических чернил и создания из них трехмерных объектов.
В 2010 году появилась одна из первых в мире компаний, занимающихся биопечатью. Ей стала Organovo. К настоящему моменту Organovo научилась печатать и использует их для проверки новых лекарств и проведения новых исследований. Компания надеется, что в ближайшем будущем ей удастся создать полнофункциональную печень. Она проделала колоссальную работу над достижением этой цели, но пока еще не готова к финальному рывку.
Как это работает?
Здесь следует сразу внести ясность: несмотря на огромное различие в сложности между печатью органов и печатью обычных пластиковых предметов, оба процесса весьма похожи друг на друга. В обоих случаях используются специальные картриджи и печатные головки, которые выстреливают чернила (или биологический материал), накладывая их слой за слоем на платформу. Однако обе системы имеют несколько ключевых различий:
- Все мы знаем, как выглядит большинство наших органов, однако для возможности их воссоздания ученым необходимо сперва провести на каждом отдельно взятом пациенте КТ-сканирование или МРТ. После чего полученные данные обрабатываются в компьютере, и создается макет, который служит в качестве подсказки, куда и как необходимо слой за слоем наносить клетки.
- Вместо поливинилхлоридного пластика или металла биопринтеры используют в качестве чернил человеческие клетки того органа, который должен быть произведен. Эти клетки используются со специальным скрепляющим агентом, который позволяет создавать цельную структуру. Помимо использования клеток тех или иных органов, биопринтеры также могут использовать стволовые клетки, биоинженерные материалы (такие, как полимер альгинат, ранее использовавшийся, например, для производства ткани клапанов аорты) и другие субстанции, которые не будут отвергнуты человеческим организмом. Например, в 2012 году на 3D-принтере была создана титановая челюсть, которая впоследствии была успешно имплантирована 83-летней женщине. А с 2013 года в США живет мужчина с .
- После того как ученые печатают образец, его необходимо поместить в специальные инкубационные условия, для того чтобы клетки смогли делиться и работать сообща, как это происходит в случае настоящих живых органов.
И как раз последняя часть процесса является в большей степени причиной того, почему мы до сих пор не видим в наших больницах машин, производящих человеческие органы на замену.
В чем же проблема?
Согласно доктору Энтони Атале (руководителю группы ученых из Уэйк Форест, занимавшихся производством мочевых пузырей), проблема заключается сразу в нескольких аспектах. Первый аспект заключается в сложности поиска тех материалов, которые можно использовать для производства частей тела и заставить их впоследствии правильно расти вне тела. Вы не можете просто взять и пришить человеку только что напечатанный орган. Как уже говорилось выше, настоящие органы — это невероятно сложные механизмы. И если мы просто заставим клетки напечатанных копий этих органов делиться, то это совсем не означает, что эти клетки будут работать как и положено. Проблему комментирует биоинженер из Корнелльского университета Ход Липсон:
«Вы, конечно, можете просто правильно и в нужном месте соединить клетки сердечной ткани вместе, но где будет находиться кнопка для их включения? Сама магия заключается в печатном процессе».
Липсон также указывает, что до сих пор нет достаточно мощного программного обеспечения, которое бы подошло для создания идеальных и максимально точных моделей органов. А ведь этот этап является наиболее важным перед тем, как ученые будут приступать непосредственно к самой печати.
Помимо трудностей в создании 3D-печатных органов, чьи клетки вели бы себя как настоящие, ученые столкнулись с трудностью в воспроизводстве кровеносных сосудов. Органам нужны артерии, вены и капилляры для того, чтобы перегонять через себя кровь и доставлять питательные вещества, которые позволяют им оставаться живыми и здоровыми. Однако ввиду своей длины, толщины и формы все эти вещи очень сложно печатать.
Тем не менее никто не говорит, что ученые не стараются решить эту проблему. В этом июне, например, команда исследователей из Университета Бригама Янга использовала линейный полисахарид агарозу для производства шаблона кровеносных сосудов. Ученые из Института Фраухофера также ведут исследования в этом направлении с 2011 года. Гарвардский профессор Дженнифер Льюис занимается вопросом печати органов, которые уже бы имели специальные каналы для передвижения по ним крови и питательных веществ.
Будущее 3D-печати органов
За все время работы над этими вопросами наука все-таки смогла добиться хотя бы частичного успеха в печати органов. Частичного, потому что большинство из полученных органов оказались нефункциональными или смогли жить в течение всего нескольких дней. Например, та же компания Organovo создала миниатюрную человеческую печень, которая на самом деле могла работать как настоящая, за исключением одной проблемы — работать она могла не дольше 40 дней. Или взять ученых из , которые успешно напечатали клапаны сердца и меленькие вены в апреле этого года. Ученые этого учреждения надеются однажды создать полноценное функционирующее сердце. Не будем забывать и о биоинженерах из , создавших искусственное (отлично работающее, кстати) человеческое ухо из живых клеток и специального геля.
Со слов Аталы, примерно 90 процентов пациентов в списке ожидающих пересадки органов стоят в очереди на новые почки. Возможно, эта невеселая статистика еще сильнее стимулировала и подтолкнула китайских ученых на разработку маленьких напечатанных почек, но которые, к сожалению, могут оставаться живыми и работоспособными только в течение четырех месяцев. Атала тоже занимается поиском способов, которые позволили бы печатать почки на 3D-принтерах. В одном из своих последних публичных выступлений на медицинской и технологической конференции TED он даже показал неработающую модель этого воссозданного органа (посмотреть можно будет на видео ниже).
Во время этой же презентации Атала поделился историей об одной операции по пересадке выращенного в лабораторных условиях мочевого пузыря. Он рассказал о будущем медицины, где специальные сканеры будут изучать глубину и сложность травм, а затем печатать новую ткань прямо на пациенте. Однако чтобы дожить до этого будущего, в котором не будет нехватки новых органов и любой нуждающийся в них человек сможет себе их позволить, знания о биопечати тканей и органов должны прочно занять свое место в медицинских школах, колледжах, институтах и университетах.
После 10 лет разработок команда биолога Энтони Аталы представила публике Cистему печати встроенной ткани и органов. После окончания всех анализов эти 3D-бионапечатанные структуры будут использоваться для замены поврежденной, больной или мертвой ткани пациентов. А так как они спроектированы на компьютере, то эти заменители будут в точности соответствовать нуждам каждого отдельного пациента. Детали технологии освещены в статье, напечатанной в журнале Nature Biotechnology.
Биопринтеры работают также как обычные 3D-принтеры, но вместо пластика или металлов используют специальные биоматериалы, которые по характеристикам напоминают функционирующую живую ткань. Но до сих пор пор биопринтеры не могли печатать ткани нужных размеров или прочности. Материалы получались слишком слабые и структурно нестабильные для хирургической трансплантации. Также они не могли печатать кровеносные сосуды, а без них новые клетки не могли получать кислород и питательные вещества.
Новый биопринтер преодолел все эти недостатки. Биоразрушаемый полимерный материал используется для создания формы ткани, а гель на основе воды доставляет клетки в структуру (гель не токсичен по отношению к клеткам) Временная внешняя структура помогает поддерживать форму объекта во время процесса печати. А чтобы справиться с ограничениями по размеру, исследователи внедрили в объект специальные микроканалы, которые позволяют доставлять питательные вещества и кислород ко всем клеткам внутри структуры. «По сути мы воссоздали капилляры с помощью этих микроканалов», — %D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%20%20%D0%90%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B0.
%0A
%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B9%20%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%20%D1%80%D1%8F%D0%B4%20%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D1%8B%D1%85%20%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85.%20%D0%92%D0%BD%D0%B5%D1%88%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%83%D1%88%D0%B8,%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC%20%D1%81%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5,%20%D0%B1%D1%8B%D0%BB%D0%B8%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%8B%20%D0%BF%D0%BE%D0%B4%20%D0%BA%D0%BE%D0%B6%D1%83%20%D0%BC%D1%8B%D1%88%D0%B8.%20%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%20%D0%B4%D0%B2%D0%B0%20%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%8F%D1%86%D0%B0%20%D1%83%D1%88%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%E2%80%91%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%BC%D1%83%20%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%20%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83,%20%D0%B0%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B6%D0%B5%20%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D1%81%D1%8C%20%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%83%D0%B4%D1%8B%20%D0%B8%20%D1%85%D1%80%D1%8F%D1%89%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8C.%20%D0%9D%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BC%D1%83%D1%81%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8B%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%81,%20%D0%B8,%20%D0%BA%D0%B0%D0%BA%20%D0%B8%20%D0%B2%20%D1%81%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B0%D0%B5%20%D1%81%20%D1%83%D1%88%D0%B0%D0%BC%D0%B8,%20%D1%8D%D1%82%D0%B8%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%BE%D1%8E%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D1%83.
%0A
%D0%A1%D1%82%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%B3%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%20%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B9%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D1%8E%D1%81%D1%82%D0%B8,%20%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B6%D0%B5%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%81.%20%D0%A1%D0%BF%D1%83%D1%81%D1%82%D1%8F%20%D0%BF%D1%8F%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%8F%D1%86%D0%B5%D0%B2%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%B0%D0%B1%D0%B6%D0%B0%D0%B5%D0%BC%D1%83%D1%8E%20%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%83%D1%8E%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8C.
%0A
%D0%90%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B0%20%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82,%20%D1%87%D1%82%D0%BE%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%8E%D1%82%20%D0%BD%D1%83%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80,%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%B8%20%D1%84%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%D1%85%20%D0%B2%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BC%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5,%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D0%BC%20%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D1%82%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D0%B1%D1%83%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%20%D0%BB%D1%8E%D0%B1%D1%8B%D1%85%20%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC.%20%D0%A1%D0%B5%D0%B9%D1%87%D0%B0%D1%81%20%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%B7%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%8E%D1%82%D1%81%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%B9%20%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F,%20%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B5%20%D1%87%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%BE%20%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B5%D1%82%20%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D0%BA%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D1%8B%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%D0%BC%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D1%8F%D1%85.">