3D-біопринтінг: що це таке та які органи вже можна надрукувати. Частина 1

Штучне відтворення людської шкіри, тканин та внутрішніх органів може сприйматися як фантастика, проте на сьогодні це об’єктивна реальність. У дослідних центрах і лікарнях по всьому світу досягнення в області 3D-друку і біопринтінгу надають нові можливості для лікування людей і наукових досліджень. У найближчі десятиліття біопринтінг може стати наступною важливою віхою в охороні здоров’я і персоналізованої медицини.

Принцип роботи 3D-принтера

Традиційні принтери, такі як у вас удома чи в офісі, працюють у двох вимірах. Вони можуть друкувати текст чи зображення на папері, використовуючи певний розмір в довжину та ширину. 3D принтери додають ще один вимір – глибину. Під час друку головка принтеру рухається уверх та вниз, вліво та вправо. Замість того, аби доставляти чорнила на папір, 3D принтери розподіляють різні матеріали – пластик, метал, кераміку, шоколад, тощо — до друку цілісного, об’ємного предмета, шар за шаром в процесі відомого як «адитивне виробництво».

Аби створити 3D-об’єкт, потрібен план – цифровий файл, що створений за допомогою програмного забезпечення для моделювання. Після створення згенерована модель відправляється до принтера. Матеріал завантажений у пристрій та готовий до нагріву, аби легко витікати з принтера. Головка пристрою переміщується, вносячи шари обраного вами матеріалу для створення кінцевого продукту.

При друкуванні кожен нанесений шар перетворюється у тверду форму або шляхом охолодження, або при змішуванні двох різних розчинів, які подаються через сопло принтера. Нові шари ідеально лягають на попередні, аби отримати стійкий елемент. Таким способом можна створити практично будь-яку форму.

3D-друк дозволяє створювати об’єкти з геометричними структурами, які було б важко або неможливо зробити іншими способами. Широкий асортимент продуктів вже створюється з використанням 3D-принтерів, включаючи ювелірні вироби, одяг, іграшки, високоякісні промислові товари.

Як працює біопринтер?

Біопринтери працюють ідентично 3D-принтерам. Але є одна суттєва різниця – вони наносять шари біоматеріалу, які містять в собі живі клітини для створення складних структур, на кшталт кровоносних судин або шкіри.

Де беруть живі клітини?

Кожна тканина має у своєму складі ріні типи клітин. Необхідні клітини беруть у пацієнта та потім відтворюють, поки їх не стане достатньо для виготовлення «біо-чорнил». Це не завжди можливо, тому для деяких тканин беруть стовбурові клітини, які здатні ставати будь клітиною в організмі, або, наприклад, свинячий колагеновий білок, морські водорості та інші.

На основі комп’ютерних проектів і моделей, часто сканувань і МРТ, зроблених безпосередньо у пацієнта, головки принтера розміщують клітини саме там, де вони необхідні, і протягом декількох годин органічний об’єкт будується з великої кількості дуже тонких шарів.

Як правило, потрібно більше, ніж просто клітини, тому більшість біопринтерів також постачають якийсь органічний або синтетичний «клей» — розчинний гель або колагеновий каркас, до якого клітини можуть прикріплятися і рости. Це допомагає їм формуватися і стабілізуватися в правильній формі. Дивовижно, але деякі клітини можуть прийняти правильне положення самі по собі без будь-якого «будівельного риштування».

«Будівельне риштування» для заміни вух в лабораторії Університету Уейк Форест в Уїнстон-Сейлемі, Північна Кароліна

Університети, дослідники та приватні компанії по всьому світу залучені в розвиток технологій біопринтінгу. Подивимося на деякі з дивних речей, над якими вони працюють.

Біопринтінг у світі

Кістки

Щорічно мільйони людей потребують пересадки кісток. Сучасні кісткові трансплантати часто використовують синтетичний матеріал на основі цементу з власною кісткою пацієнта. Але застосування цих матеріалів має цілий ряд обмежень – декотрі трансплантатами зазнавали відторгнення у пацієнтів.

Команда дослідників Університету Суонсі у 2014 році розробила технологію біологічного друку, що дозволяє створювати штучний кістковий протез у такій же формі, який потрібен. Над такими ж дослідженнями водночас працювали й вчені з Ноттінгемського університету в Англії.

Аби надрукувати невеличку кістку, потрібно біля двох годин. Тому хірурги можуть зробити її прямо в операційній. Потім ця частина кістки покривається стовбуровими клітинами дорослої людини, які здатні розвиватися практично у будь-які клітини. Це поєднується з біочорнилами з принтера – комбінацією полімолочної кислоти та альгіната – матеріалу, який слугує амортизуючим матеріалом для клітин. Потім кінцевий продукт імплантується в організм, де протягом трьох місяців повністю зникне і буде замінений новою кісткою.

Дослідники сподіваються, що в майбутньому «друковані» кістки зможуть створюватися достатньо надійними для складної реконструкції хребта, а кістковий матеріал буде покращений для підвищення його сумісності з хрящовими клітинами.

Хрящі

Успішні досліди 3D-друку людського хрящу незабаром можуть повністю замінити штучні імплантати для людей, що потребують реконструктивної операції. Ще у 2015 році вчені з Цюриха розробили технологію, котра дозволить лікарням друкувати повноцінний імплантат людського носа менше як за 20 хвилин. Вони вважають, що будь-який хрящовий імплантат може бути виготовлений за їх методою.

Оскільки імплантат буде вирощений із власних клітин організму, ризик відторгнення буде набагато нижче, ніж для імплантату, зробленого із силікону. Додаткові переваги полягають в тому, що біоімплантат росте разом із пацієнтом, що важливо для дітей та підлітків.

Шкіра

Якщо людська шкіра надто попечена, здорову шкіру можна взяти з іншої частини тіла та використовувати для заміни пошкодженої шкіри. Але іноді непошкодженої шкіри не вистачає.

Вчені медичної школи Уейк Форест успішно розробили, побудували та протестували принтер, що може друкувати клітини людської шкіри безпосередньо на рані з опіком. Сканер точно визначає розмір та глибину пошкоджень. Ця інформація передається на принтер після чого шкіра друкується безпосередньо на рані. На відміну від традиційних шкіряних трансплантатів, тут потрібен лише невеликий шматок людської шкіри щоб виростити достатню кількість клітин для друку. Ця технологія знаходиться в експериментальній фазі, але дослідники сподіваються, що вона пошириться протягом наступних п’яти років.

Як вже згадувалось, 3D-принтери друкують пошарово. Оскільки людська шкіра являє собою багатошаровий орган з різноманітними типами клітин, вона добре підійде для цього типу технологій. Проте, дослідникам ще варто вирішити багато завдань. Як і більшість частин тіла, шкіра складніша, ніж здається на перший погляд — в ній є нервові закінчення, кровоносні судини й безліч інших аспектів, які необхідно враховувати.

Кровоносні судини

З огляду на, що в тілі людини десятки тисяч кілометрів вен, артерій і капілярів, дослідники працюють над тим, щоб замінити їх, якщо вони коли-небудь зносяться. Створення життєздатних кровоносних судин також важливо для правильної роботи всіх інших потенційних біонадрукованих частин тіла.

Моніка Мойя тримає чашку Петрі з друкованими біотрубками на основі альгінату.

Інженер-біомеханік Моніка Мойя з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса використовує біодрук для створення кровоносних судин. Матеріали, створені її біопринтером, спроектовані таким чином, щоб дозволити маленьким кровоносним судинам розвиватися самостійно.

А як справи з внутрішніми органами?

Багато дослідників сподіваються, що вже через 20 років список пацієнтів, які очікують пересадку органів, підуть в минуле. Вони уявляють світ, в якому будь-який орган може бути надрукований і пересаджений всього за кілька годин, без відторгнення і ускладнень, тому що ці органи будуть створені із клітин тіла відповідно до індивідуальних особливостей кожного пацієнта. В даний час біодрук повністю функціональних складних внутрішніх органів неможливий, але дослідження постійно ведуться (і не без успіху).

Сечовий міхур

У 2013 році в Університеті Уейк Форест у США дослідники успішно взяли клітини з хворого сечового міхура пацієнта, культивували їх додавши додаткові корисні речовини. Потім була надрукована трьохвимірна форма сечового міхура пацієнта. Форма була поміщена в інкубатор та коли вона досягла потрібної кондиції її пересадили у тіло пацієнта. Форма з часом зруйнується, залишивши лише органічний матеріал. Та ж команда успішно створила життєздатну уретру.

Нирки

Лікарі та вчені Інституту регенеративної медицини Уейк Форест (WFIRM) були першими у світі, хто створив органи та тканини, вирощені у лабораторних умовах, котрі були успішно трансплантовані людині. Наразі вони працюють над вирощенням тканин та органів для більш ніж 30 різноманітних частин тіла, від нирок та трахеї до хрящів і легень.

Австралійські вчені також займаються подібними дослідженнями. Вони використовували людські стовбурні клітини для вирощування ниркового органу, котрий має всі необхідні типи клітин для нирок. Такі клітини можуть слугувати цінним джерелом для біодруку складнішої структури нирок.

Доктор медицини, професор урології, професор Інституту регенеративної медицини Ентоні Атала показує нирку, створену біопринтером

Модифікований настільний струменевий принтер розпилює клітини замість чорнил. Клітки культивували у пацієнта, а структурний шаблон для нирок отримували з МРТ (тому він має правильний розмір та форму). Використовуючи цю технологію ще у 2001 році Атала надрукував та успішно пересадив сечовий міхур для юнака Джейка. Детальніше у відео.

Серце

Дивно, але саме серце людини може стати одним з найлегших органів для біодруку, оскільки воно, по суті, являє собою помпу з трубками. Звичайно, все не так просто, але вчені вважають, що людство навчиться друкувати серця раніше за нирки чи печінку.

У квітні 2019 року ізраїльські вчені надрукували перше у світі трьохвимірне серце. Воно ще дуже маленьке, розміром як вишня, але здатне виконувати свою функцію. Трьохвимірне серце з кров’яними судинами використовує персоналізовані «чорнила» з колагену, білка, котрий підтримує кліткові структури, та інших біологічних молекул.

«Це перший випадок, коли хтось успішно спроєктував та надрукував серце з клітинами, кровоносними судинами, шлуночками та камерами», — розповів вчений Тель-Авівського університету професор Тал Двір.

Дослідник з Тель-Авівського університету тримає перше у світі тривимірне друковане серце, 15 квітня 2019 року.

Досі вченим вдавалося друкувати тканини хряща та наприклад, аортального клапана, але завдання полягає в тому, аби створювати тканини з васкуляризацією – кровоносними судинами, включаючи капіляри, без яких органи не можуть вижити, не говорячи про функціонування.

Тель-авівські вчені почали з жирової людської тканини та розділили клітинні та не клітинні компоненти. Потім вони перепрограмували клітини, аби ті перетворилися у недиференціальні стовбурові клітини, котрі потім могли б стати серцевими або ендотеліальними. Ендотелій – одношаровий пласт плоских клітин, що вистилає внутрішню поверхню серця, кровоносних та лімфатичних судин. Клітини ендотелію виконують низку функцій судинної системи, наприклад, контролюють артеріальний тиск, регулюють компоненти згортання крові та формування нових кровоносних судин.

Неклітинні матеріали, включаючи велику кількість білків, були перероблені в «персоналізований гідрогель», який служив «чорнилом для друку».

Пройдуть роки, перш ніж ця технологія зможе створювати органи для ефективної трансплантації. Проте, досягнення вчених в Тель-Авіві є величезною віхою на цьому шляху.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

3D-біопринтінг: застосування в медичних дослідженнях та фармакології. Частина 2

5 новітніх технологій, які змінять логістику раз і назавжди

9 інвестиційних напрямків для розвитку foodtech

6 найдивовижніших речей, які були надруковані на 3D-принтері в 2018 році