Человеческие органы на 3d принтере. Создан первый серийный биопринтер. Использование в косметологии
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.
«В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?».
Большинство органов - сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Одна только печень выполняет более 500 функций. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях.
Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Леса, сделанные из биоразлагаемых полимеров или коллагена, обеспечивали временную матрицу для клеток, которые могли цепляться за них до тех пор, пока не стали бы достаточно прочными, чтобы держаться самостоятельно. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами.
Вскоре, при помощи 3D-принтеров, леса стали строиться более качественно. Но ручное размещение клеток на них осталось трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать.
«При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», - говорит Ю. - «Руки - плохой способ доставки клеток».
Печать почек
В Wake Forest группы Ю и Атала построили биопринтеры, которые работают быстрее, чем модифицированные печатные принтеры, и могут работать с большим количеством типов клеток, в том числе со стволовыми, мускульными и сосудистыми. Они также разработали один принтер, который одним махом может создавать сложные леса; сегодня он используется для создания сложных ушей, носов и костей.
Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Типы клеток по-разному реагируют на материал лесов, и чем сложнее орган, тем сложнее будет его рамка - и тем сложнее предсказать, как будут мигрировать клетки вокруг него. В результате, не все ученые считают, что леса необходимы, в том числе Габор Форгакс, соучредитель Organovo и биолог в Миссурийском университете.
План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. «Магия», - говорит он, - «начинается после того, как закончится печать». В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думают, что конечный продукт - свеженапечатанный клеточный материал - еще не готов.
Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собирая клеточные совокупности - крошечные сферы с тысячами клеток - в круг, сотрудники лаборатории наблюдают за тем, как они сливаются и формируют новую структуру. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Каскад биологических связей растет, и клетки сливаются в крупную структуру.
Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Технология трансформировала . «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», - говорит он. Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека.
Форгакс говорит, что инженерам не стоит размещать клетки там, где они должны быть в готовых органах. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции».
Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», - говорит Форгакс. - «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. Полумиллиметровая совокупность - это уже маленький кусочек ткани. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией».
Печать кровяных сосудов
С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Ученые Organovo уже сделали это с клетками сердца; и когда они сплавились, они бились в унисон, как сердце. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут.
Ученые Organovo сделали относительно надежную сосудистую систему путем печати наполнителя, вроде гидрогеля, между клетками ткани. Наполнитель позже извлекается, оставляя пустые каналы для клеток крови. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры.
«Основная задача - это создать очень маленькие капилляры», - волосовидные кровеносные сосуды, связывающие крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что этот вопрос разрешится в течение ближайших двух лет. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени.
Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. В нескольких шагах от «Далласа» размером с полхолодильника находятся биопринтеры «Руби» и «Зорг», украшенные фотографиями Криса Такера и Гэри Олдмана, соответственно.
В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. Однако важной вехой стала разработка подходящих инструментов, с помощью которых можно визуализировать и смоделировать весь процесс.
Напечатанные образцы кожи
Чего не хватает биопринтерам - и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере - сложное биологическое программное обеспечение. В случае с неодушевленным объектом - кофейной чашкой - 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. Но в медицине нет аналога этого сканера.
«МРТ не покажет вам, где находятся клетки», - говорит Липсон. - «Мы буквально бредем в темноте по чертежам. Это полбеды. Нет никакого «фотошопа» для перемещения клеток. И это не совпадение. Для этого нужно программное обеспечение. Вы не можете сделать программную модель печени. Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета».
Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. «Область, которую мы исследуем, необязательно будет иметь под собой экономическую базу, но она может появиться в ближайшие годы», - говорит Карлос Ольгвин, глава Bio/Nano/Programmable Matter Group Autodesk.
В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную CAD-оболочку, чтобы поспособствовать процессу конструирования. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. В конечном счете, исследователи хотят быть в состоянии проектировать клеточные совокупности на цифровом уровне, нажимая Enter, и спустя секунды видеть, что нужно изменить, а что останется в конце.
«В очень короткие сроки мы собираемся значительно сократить время, которое в среднем уходит на процесс биопечати. Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи».
Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. До сих пор нет никаких надежных способов оценить то, как препарат влияет на печень человека, пока он не будет принят - и испытания на животных особо не помогут.
«Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», - говорит Преснелл. - «Вы можете получить прекрасный ответ от крысы. А в реальности людям будет не очень хорошо».
Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. Исследования показали, что мыши помогли выяснить, как хорошо препарат для лечения гепатита C будет усваиваться людьми. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Проблема в том, что такие структуры созданы из нескольких толстых слоев клеток, что ограничивает сложность вопросов, на которые могут ответить ученые.
В следующем году Organovo начнет продажу образцов печени - пластинок наподобие чашки Петри, содержащих клетки печени, организованные в трехмерные структуры от 200 до 500 микрон толщиной (в 2-5 раз толще человеческого волоса). Потенциал рынка огромен. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени.
«Обычно люди делают так: очищают химикаты, принимают препарат, добавляют его к клеткам, смотрят на реакцию, анализируют, возможно, дают животным, а потом уже людям», - говорит Ли Кронин, химик из университета Глазго. - «Вместо того, чтобы делать образцы из пластика, мы распечатаем живой кусочек печени и посмотрим за реакцией в реальном времени. Вот это будет интересно».
Напечатанные кости
Если биопечатные образцы будут помогать фармацевтам получать лучшие данные, ускорится вся лекарственная промышленность. Более того, уменьшится потребность в испытаниях на животных.
Целью Озболата в университете Айовы является печать ткани поджелудочной железы для лечения. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа.
Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.
Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. Изменить жизнь самым коренным образом. В настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. И очередь постоянно растет. И дело не в том, что нет спроса. Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально.
Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов - частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Ранее ученые уже создали ухо, включающее наночастицы серебра, образующие спиральную антенну. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела - от кардиостимулятора до счетчика пульса.
Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Машина просто стала еще одним инструментом, который помогает человеку. Принтер может внести посильную лепту. Может поставить куски человека на место. Но, как отмечал Форгакс, никто не знает, почему эти куски делают то, что делают. Только жизнь знает. Пока что.
Какие органы печатают на 3D принтерах; какие из них уже пересаживаются человеку, а какие разработали ученые из Сколково? В этой статье вы увидите фотографии напечатанных на 3D био-принтерах органы, а также узнаете о них подробнее.
Напечатанная 3D печень
Эта 3D печень напечатана компанией Organovo. На данный момент ткани слишком слабо развиты, чтобы использовать такую печень для трансплантации, поэтому печень "живет" в научно-исследовательских лабораториях. Продолжительность жизни такой печени - около шести недель. Это дает возможность ученым экспериментировать с препаратами и измерять разные процессы воздействия на печень. И хотя пересадить 3D печень нельзя, она помогает создавать лекарства значительно быстрее.
Напечатанный 3D позвонок
В Пекинском университете напечатали позвонок, который подходит для замены обычного и превосходит титан по прочности. Новый материал функционирует и используется в хирургии. Он позволяет пациентам восстанавливаться после операции значительно быстрее. Позвонок полый в центре, что позволяет нервам легко проходить через позвоночник.
Напечатанный 3D мозг
Доктор Джозеф Мэдсен не беспокоится о проведении гемисферэктомии, потому что сначала проводит аналогичную операцию на напечатанной версии мозга своего пациента. Уровень точности печати настолько высок, что мягкий пластик реплики дал Мэдсену возможность идеальной практики.
Напечатанное 3D сердце
Врачи со всего мира приступили к работе по разработке искусственных сердец. Прежде всего потому, что человечество много курит, ест нездоровую пищу и совершает другие действия, которые ведут к необходимости замены сердца еще в относительно юном возрасте. Ученые придумали использовать компьютерную томографию, которая позволяет получить полную картину органа, который затем им нужно распечатать с помощью специально разработанных материалов. Более того, врачи могут провести операцию дважды - один раз за день до операции на копии сердца, а затем на самом пациенте, что позволит сократить время и избавиться от ошибок. Сердца печатают, но их еще не пересаживают. На них практикуются.
А какой орган, напечатанный на биопринтере, планируют пересадить ученые из Сколково в следующем году?
Первый живой орган, созданный с использованием 3D биопринтера в России, будет пересажен в следующем году. Это будет щитовидная железа. Дальше ученые из Сколково планируют пересадить напечатанную почку в 2018 году.
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
Загрузка...