Не так давно в одном британском журнале была опубликована весьма захватывающая и сенсационная статья. В данной статье говорилось о биопринтерах, с помощью которых можно будет «напечатать» некоторые человеческие органы. В связи с этой статьей хирурги, занимающиеся пересадкой человеческих органов, надеются, что когда-нибудь наступит такое время, когда они смогут получить нужный им орган для пересадки по первому своему требованию.
В настоящее время пациент, которому нужна пересадка, может по нескольку месяцев, а то и лет ждать, когда для него найдется подходящий донорский орган. Но за это время может случиться непоправимое. К сожалению, не все доживают до того момента, когда находится подходящий донор. Но с помощью искусственных органов можно было бы значительно облегчить страдания пациентов и даже сохранить многие человеческие жизни. Теперь, когда до появления первого 3D биопринтера осталось совсем немного времени, данная возможность перестала быть мечтой и попала в разряд реальности.
Первый 3D биопринтер, стоимость которого около 200 тысяч долларов, был разработан двумя сотрудничающими компаниями – это компания «Organovo» из Сан-Диего, специализация которой регенеративная медицина, и компанией «Invetech», находящейся в Мельбурне и занимающейся машиностроением. Один из основателей компании регенеративной медицины Габор Форжак разработал специальный прототип для нового 3D принтера.
В скором времени первые рабочие образцы нового принтера будут доставлены некоторым исследовательским группам, которые также изучают методы создания искусственных органов. В данное время большая часть этой трудной и кропотливой работы выполняется вручную с использованием уже существующих устройств.
По словам директора компании «Organovo» Кейта Мерфи вначале планируется создание только простых тканей, например, таких как мышцы, кожа, и маленькие участки различных кровеносных сосудов.
Однако после того как закончатся первые тестовые испытания образцов, начнется непосредственное производство кровеносных сосудов, которые в ходе операции заменят поврежденные сосуды для движения крови. После дальнейших исследований сразу можно будет приступить к производству более сложных органов.
Интересно знать, что изготовленный компанией «Organovo» 3D биопринтер работает по тому же принципу, что и обычные , который в свою очередь работает так же, как и их «собратья» обычные струйные принтеры, но только в трехмерном виде.
Такие распыляют крошечные полимерные капельки, которые в дальнейшем сплавляются вместе и образуют единую целостную структуру.
Таким образом, получается, что за каждый свой проход специальная печатающая головка способна создавать на объекте маленькую линию из полимера.
В результате такой работы предмет постепенно обретает свою окончательную форму. При помощи специальных «подмостков», которые сделаны из материалов растворимых в воде, создаются поддерживающие полости. После того, как задуманный объект будет полностью закончен, данные подмостки просто напросто смоются.
Учеными-исследователями было обнаружено, что данный подход можно смело применить и к биологическим материалам.
К примеру, если расположить рядом друг с другом маленькие участки клеток, то они начнут между собой «сплавляться». Сегодня исследуется огромный ряд различных технологий, благодаря которым из отдельных клеток можно было бы создавать человеческие органы. Одной из таких технологий является технология увеличения мышечных клеток. Данная технология достигается путем использования маленьких машин.
Невзирая на то, что технология печати человеческих органов считается новой и только – только зарождается, некоторые ученые уже сейчас могут похвастаться своими примерами создания человеческих органов. Например, Энтони Атала совместно со своими коллегами из «Wake Forest Institute for Regenerative Medicine», что находится в Северной Калифорнии, в 2006 году создал мочевые пузыри для семи своих пациентов, которые прекрасно функционируют до сих пор. О том, как это было сделано, мы расскажем в следующий раз.
Хотелось бы отметить, что биопринтер от компании «Organovo» не нуждается в поддерживающей основе и в своей работе данный принтер использует только стволовые клетки костного мозга. Не безынтересно знать, что используя разные факторы роста, есть уникальная возможность получить любые другие клетки. Несколько тысяч таких клеток могут формироваться в крошечные капельки, диаметр которых около 100-500 микрон. Такие капли отлично сохраняют форму и прекрасно подходят для печати.
Также в биопринтерах можно использовать и поддерживающие основания, и другие виды клеток. Например, клетки печени можно наносить сразу на уже сформированное основание, которое имеет форму нашей печени. Кроме того, новый биопринтер имеет весьма скромные габариты, благодаря которым его можно поставить в специальный биологический шкаф, чтобы обеспечить большую стерильность среды для печати органов.
Однако некоторые исследователи смотрят далеко вперед. По их мнению, в скором будущем могут появиться такие машины, которые смогут «напечатать» нужный орган прямо в человеческом теле. Эти слухи также подтверждает и доктор Энтони Атала. Так как именно он в данное время работает над принтером, который отсканировав определенные участки тела, где нужна пересадка кожи, сможет «напечатать» ее прямо на человеческом теле.
Кроме того, искусственные органы могут принимать различные формы, ну, по крайней мере, в самом начале. К примеру, искусственная почка, нужная для очищения крови, совсем не обязательно должна походить на ее реальную «сестру» или полностью повторять ее функционально.
Я думаю, что для людей, которые годами ждут донорские органы совсем не важно, как будут выглядеть их новые органы. Самое главное, чтобы они хорошо работали, а самочувствие людей улучшалось бы.
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.
16.03.2016
Биопечать - это относительно новое направление в развитие медицины, которое появилось благодаря стремительному развитию аддитивных технологий.
В настоящее время ученые всего мира усиленно работают над созданием многофункциональных принтеров, способных печатать работоспособные органы, такие как сердце, почки и печень.
Примечательно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны напечатать костные и хрящевые импланты, а также создать сложные биологические продукты питание, в состав которых входят жиры, белки, углеводы и витамины.
От офисного принтера к сложной биомеханической машине
Первые принтеры для биопечати были далеко не совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях.
В 2000-м году биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК.
Оказалось, что размер человеческих клеток сопоставим с размерами капли стандартных чернил и составляет примерно 10 микрон. Исследования показали, что 90% клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В 2003 году Томас Боланд запатентировал 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, которой подвластны печать ушных раковин, клапанов сердца, трубок сосудов, а также воссоздание костной ткани и кожи для последующей пересадки.
В 2007 году биопечать стала приобретать коммерческие очертания. Сначала ученым удалось заполучить свыше $600000 на развитие биопринтинга, однако уже в 2011 году объемы инвестиций возросли до $24,7 миллиона в год.
Сегодня под общим названием «биопринтинг» скрываются сразу несколько косвенно связанных технологий биопечати. Для создания органов на 3D-принтере могут использоваться фоточувствительный гидрогель, порошковый наполнитель или специальная жидкость.
В зависимости от используемой машины, рабочий материал подается из диспенсера под видом постоянной струи или дозированными капельками. Такой подход используется для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток – штучной кожи и хрящей. Костные испланты печатаются методом послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
От теории к практике 3D-биопечати
Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D-принтере состоялся в 2006 году. Группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine разработала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри.
Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере с помощью экструдера нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела.
Через 6-8 недель в ходе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган.
Печатью органов на 3D-принтере в полном объеме занимаются всего несколько компаний. Наибольших успехов на данной стези достигли инженеры американской компании Organovo, сумевшие напечатать печеночную ткань.
В 2014 году фармкомпании вложили в деятельность Organovo свыше 500 000 долларов.
Швейцарская компания RegenHu вплотную приблизилась к успехам американских коллег. Европейским разработчиком удалось создать лазерный и диспенсерный биопринтеры, печатающие биобумагой.
В свою очередь, японская компания CyFuse работает над моделированием клеточных соединений с помощью сфероидов, нанизанных на микроскопические жезлы.
Вначале 2014 года компания RCC заручившись поддержкой специалистов из Nano3D Biosciences создали первый коммерческий биопринтер. Аппарат не предназначен для печати органов, зато помогает фармацевтам исследовать медицинские препараты.
Вполне возможно, что в недалеком будущем продукция компании Rainbow Coral Corp будет повсеместно использоваться для изготовления фармацевтических препаратов.
Ученые из стран СНГ не отстают от западных коллег. Недавно в России успешно завершились биологические исследования, инициированные лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions, основанной крупнейшей в России медицинской компанией ИНВИТРО.
Бионженерам удалось напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Штучный орган, напечатанный на принтере, успешно пересадили подопытной мыши. В ходе эксперимента использовался инновационный отечественный 3D-принтер FABION, созданный самой же компанией.
Детальнее узнать, как проходили исследования в лаборатории 3D Bioprinting Solutions, можно ознакомившись с видеороликом .
В ноябре 2014 мир всколыхнула новость о том, что специалистам 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 изобретали не отрицают, что в скором времени приспособят свое оборудование для создания донорских органов.
Пока же фармацевтические компании используют полученный в лаборатории Organovo материал для испытания экспериментальных фармацевтических составов.
Такой подход позволит производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики.
В пресс-центре компании-производителя говорят, что в ближайшее пятилетие Organovo и ее партнеры собираются освоить рынок трансплантатов.
Биоинженеры уже напечатали на 3D-принтере жизнеспособные почки, которые сохраняют свои функции в течение двух недель. Также компания производит коммерческую почечную ткань – ее могут купить фармацевты для изучения перспективных медицинских составов.
Биоткань получила название exVive3D tissue.
Биопечать развивается быстрее, чем прогнозировалось. Тем не менее, используемые технологии далеки от совершенства. Другое дело медицинские импланты.
Инженеры научились моделировать и воспроизводить самые разные элементы человеческого костного каркаса – штучные фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки.
Костные импланты изготавливаются методом селективного лазерного спекания из нитинола (никилид титана) – высокопрочного материала, напоминающего по своему биохимическому составу костную ткань. В ходе печатного процесса используются 3D-модели, полученные благодаря компьютерной томографии.
Не меньшей популярностью пользуются протезы из полимеров. Протезы кисти нельзя назвать органом, зато простота, с которой нуждающиеся могут получить механизм, позволяющий вернуть их к нормальному образу жизни, заслуживает внимания.
Стоимость подобного устройства не превышает 10-15 тысяч рублей.
Биопринтинг находится на пике своего развития, и мы продолжаем за ним следить. Оставайтесь вместе с нами, чтобы оставаться в курсе самых важных событий в мире 3D-печати.
Уменьшенная копия человеческого уха из биогеля
Wake Forest Institute for Regenerative Medicine
Ученые из медицинской школы Уэйк-Форест представили биопринтер, который печатает из живых клеток человеческие ткани, способные сохранять свою форму и приживаться в организме. В перспективе, напечатанные на биопринтере ткани и органы могут заменить искусственные протезы. Работа исследователей опубликована в журнале Nature .
Для создания органов и тканей принтер использует специальный гидрогель и пластиковый биоразлагаемый материал. Гидрогель представляет собой комбинацию из желатина, фибриногена, гиалуроновой кислоты и глицерина с достаточно высокой концентрацией живых клеток. Сначала принтер осторожно слой за слоем создает из него трехмерные объекты, а затем покрывает их внешней оболочкой из разлагаемого полимера. Эта оболочка помогает держать органам и тканям форму.
После того, как ткани пересаживают в организм, полимерная оболочка постепенно разлагается. В то же время клетки начинают самостоятельно выделять матрикс, который обеспечивает механическую поддержку клеток, и, в конечном итоге, необходимость во вспомогательном материале отпадает. Весь объем искусственной ткани пронизывает сеть микроканалов, по которым к клеткам поступают кислород и питательные вещества.
На данный момент ученые создали гелевый аналог кости свода черепа крысы на основе стволовых клеток человека из амниотической жидкости, уменьшенные копии человеческого уха из хондроцитов кролика и несколько «мышц» с использованием мышиного миобласта C2C12. Все образцы исследователи проверили в лабораторных и в естественных условиях, вживив их под кожу крыс и мышей.
Результаты, по мнению ученых, оказались многообещающими. Ушные раковины, подсаженные мышам, спустя два месяца сохранили форму, а также в них на 20 процентов увеличилось содержание гликозоаминогликанов, которые входят в состав клеточного матрикса. Мышечная ткань, вытянутая вдоль опорной конструкции, спустя две недели также сохранила свои механические характеристики. Малоберцовый нерв, вживленный в имплант, также сохранил свою целостность и в ткани наблюдались нервные контакты с α-BTX+ внутри импланта. В гелевом аналоге кости свода черепа у крыс спустя пять месяцев сформировалась васкуляризированная костная ткань.
По словам авторов, теперь необходимо выяснить, насколько безопасны напечатанные на биопринтере импланты для людей. Скорее всего, сначала будут тестироваться хрящевые структуры, то есть ушные раковины, так как в отличие от мышц и костей, хрящу не требуется обширная система кровеносных сосудов.
Идея 3-D печати органов, в целом, не нова. Ученые активно работают над этой технологией, так как она не только позволит создавать биоимпланты для пересадки людям, но и, например, проводить клинические испытания лекарств на отдельных органах и тканях. Так, компания Organavo на данный момент занимается трехмерной печатью почечных тканей для испытаний лекарств.
Кристина Уласович
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.