3D-биопринтеры

Как печатают биопринтеры

Основой для печати биоматериала служит трехмерная модель, которую генерируют с помощью компьютерной томографии или МРТ на базе клеток пациента, а затем создают архитектуру ткани. Владимир Миронов, профессор Университета Содружества Виргинии (США) и научный руководитель российской компании 3D Bioprinting Solutions, рассказывает, что суть метода состоит в сборке тканей и органов из конгломератов клеток, подобно конструктору. Осуществляют такую сборку, или биопечать, на специально разработанных 3D-биопринтерах, подобно тому, как печатают на 3D-принтерах различные детали: послойно, по цифровой (компьютерной) трехмерной модели.

Используются три основных типа принтеров: струйные, лазерные и экструзионные. Картриджи принтеров при этом заправляют сфероидами — конгломератами клеток, которые «капают» на специальную подложку — своеобразную биобумагу. Напечатав один слой из клеточных сфероидов, сверху наносят второй, который «срастается» с первым. Так постепенно получают объемный живой объект — ткань или орган.

Печать органов

Печать полностью функциональных сложных внутренних органов пока что невозможна, хотя в этой области ведутся непрерывные исследования. К примеру, мочевой пузырь уже удалось воспроизвести. Случилось это в 2013 году в США (Университет Уэйк Форест).

Ученые извлекли исходный материал из плохо работающего органа пациента, взрастили их и добавили питательные компоненты. Далее они воспроизвели форму мочевого пузыря по параметрам пациента и пропитанные через нее культивируемые клетки. Модель поместили в инкубатор, довели до необходимой кондиции и трансплантировали человеку. С течением времени она разрушилась, на ее месте остался полностью органический материал.

Та же команда произвела жизнеспособные уретры. Непрерывно ведутся исследования и совершаются прорывы в создании почек, печени и сердца.

Как это работает

Стандартные принтеры работают в двух измерениях: текст или изображение наносится на плоскую поверхность с использованием размеров Х и У — горизонтальный и вертикальный. Для печати в трехмерном пространстве добавляется Z — глубина.
Во время работы 3D-принтера головки перемещаются влево, вправо, вперед и назад, а также вверх и вниз, то есть в трехмерном пространстве. Вместо чернил 3D-принтер использует полимеры, металл, карамику, шоколад и другие материалы.
Сначала в программе для моделирования создается план предмета в цифровом формате и отправляется на печать. 3D-принтер разогревает материал и считывает план. Параллельно с этим головка перемещается в пространстве и слой за слоем воссоздает предмет.

После печати каждый слой охлаждается и твердеет. Это нужно, чтобы следующий слой печатался точно поверх предыдущего. Только так можно создать прочный предмет с подвижными соединениями.
Эта же технология легла в основу биопринтера. Отличие одно — материал. Последний использует биоматериал с добавлением живых клеток: например, для печати кровеносных сосудов и кожных тканей. Образцы клеток берутся у человека, для которого выполняется печать, и культивируются до нужных размеров. Иногда в роли чернил выступают стволовые клетки, свиной коллагеновый белок и морские водоросли (из которых получают полисахарид агароза).
Еще один вариант: хитозан — это полисахарид, получаемый либо из моллюсков, либо путем брожения грибов. Очевидные плюсы — высокая биосовместимость и антибактериальные свойства, минус — низкая скорость гелеобразования.
Как и для обычного принтера, биопринтеру нужен проект, на основе которого он будет печатать. Такие проекты создаются в специальных программах по результатам сканирований и МРТ. Чем точнее проект, тем больше вероятность, что головки принтера попадут в нужную точку. Воссоздание органического проекта с тонкими слоями занимает от нескольких часов до суток.

Одних клеток для печати недостаточно. Требуется каркас, к которому они будут крепиться. Основным материалом в этом случае выступает так называемый синтетический «клей», который примешивается к органике.
Биопечать проходит в три этапа

• Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.

• Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».

• Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.

Биопечать проходит в три этапа

• Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.

• Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».

• Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.

Донорские органы без доноров

Инициатором проекта был Александр Островский — основатель и генеральный директор «Инвитро». По его словам, изначально технология предназначалась для создания донорских органов для их последующей пересадки и решения проблемы с их постоянной нехваткой. Как говорит Островский, «мы видим очереди на трансплантацию органов, в которых люди стоят годами и часто умирают, так и не дождавшись». 

С помощью биопринтера уже удалось создать жизнеспособную щитовидную железу и успешно пересадить ее мыши, в перспективе — создание других эндокринных органов. Испытания на мышах показывают, что даже при удалении «изначальной» железы возможно полное восстановление ее функций при пересадке, также проведены успешные опыты по восстановлению половых желез у мышей. Можно печатать хрящи, кожу и мышцы, в планах — трубчатые структуры, например, сосуды и мочеточники. 

Однако неизвестно, когда именно технология биопечати живых тканей войдет в нашу повседневную жизнь. «Все ожидают появления технологий в клиниках для работы с пациентами, — говорит управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Но прохождение нормативных барьеров для работы с пациентами — это долго, поэтому пока можно говорить только о доклинических испытаниях». В Международном  обществе биофабрикации (ISBF) считают, что первый напечатанный орган появится в обращении не раньше 2030 года.

Мышечная ткань, собранная из сфероидов бычьих клетокФото: 3D Bioprinting Solutions

Как напечатать новое лицо

В середине 2000-х годов команда Аталы обратила внимание на обыкновенный бытовой 3D-принтер и написала для него специальное программное обеспечение, позднее для лаборатории были созданы специализированные машины. Теперь в лаборатории «выращивают» до 30 различных видов клеток и органов, а также хрящи и кости.

Одни из последних достижений команды — уши и носы, выращенные вне тела человека.

Главный заказчик и спонсор разработок Аталы — американское министерство обороны, а многие пациенты — военные, пострадавшие в результате боевых действий.

Работает это так: сперва делается компьютерная томография уха или носа. Один из ассистентов Аталы, Джошуа Корпус, шутит: на этом этапе люди нередко просят «улучшить» форму носа, если свой им казался слишком широким или крючковатым, и ушей, если те были уж очень развесисты.

После этого пишется специальный компьютерный код, и начинается печать основы органов.

Для этого используется саморассасывающийся полимер — поликапролактам. Одновременно и гибкий, и прочный, в теле человека он распадается в течение четырех лет.

После печати слои поликапролактама напоминают кружево, их место после трансплантации уже через несколько лет займут собственные хрящевые ткани человека.

Затем поликапролактам насыщают созданным из клеток пациента гелем, охлажденным до -18 градусов Цельсия — таким образом клетки, по словам ученых, не повреждаются, они «живы и счастливы».

Подпись к фото,

Печать испытательного образца почки на биопринтере

Чтобы конструкция из полимера и геля приобрела форму и превратилась во что-то более прочное, в лаборатории используют ультрафиолет — он не повреждает клетки.

Будущий имплантат печатается 4-5 часов, затем окончательно формируется и вставляется под эпидермис.

Выращивать можно и кожу: первыми в ранних испытаниях Аталы принимали участие пострадавшие в пожарах дети — после «распечатки» кожи ученые еще несколько лет наблюдали за пациентами. Новая кожа не трескалась, не лопалась и росла вместе с детьми.

Самая сложная работа, по словам ученого, — раны лица: мало просто натянуть кожу, нужно точно рассчитать геометрию, выверить припухлости, строение костей, и понять, как после этого будет выглядеть человек.

Кроме кожи и ушей, Атала может «напечатать» кости челюстей, вырастить кровеносные сосуды и клетки некоторых органов — печени, почек, легких.

Эту технологию особенно ценят онкологи: на основе клеток пациентов можно воссоздать реакцию организма на разные виды химиотерапии и наблюдать за реакцией на тот или иной тип лечения в лабораторных условиях, а не на живом человеке.

А вот печень, почки, легкие и сердце — все еще на стадии испытаний. Атала говорит, что вырастил их в миниатюре, но создание органов из различных тканей и в настоящую величину требует множества дополнительных исследований.

Зато, по его словам, в лаборатории вырастили клетки и создали вагину для девочки, родившейся несколько лет назад с врожденной деформацией половых органов — с момента пересадки прошло уже несколько лет.

Подпись к фото,

Основа для ушного имплантата из поликапролактама, отпечатанная на биопринтере

Атала улыбается и добавляет: над созданием работоспособного пениса его команда тоже работает. Это исследования продолжаются уже несколько лет, и больше всего хлопот ученым доставляют сложная структура тканей и специфическая чувствительность самого органа.

В числе прочих над этим в лабораторных условиях трудится россиянин, аспирант Первого Московского государственного медицинского университета (МГМУ) имени Сеченова Игорь Васютин. Он — клеточный биолог, правая рука Аталы.

В США Васютин около года — приехал по обмену. О поведении стволовых клеток он готов рассуждать часами, но становится менее многословен, когда речь заходит о российской науке.

В альма-матер Васютина до массовой регенерации человеческих органов не дошли и пока тренируются на животных: местные ученые «распечатали» на 3D-принтере щитовидную железу мыши.

Исследованием человеческих органов там, впрочем, тоже занимаются. По словам руководителя Института регенеративной медицины при МГМУ Дениса Бутнара, несколько лет назад в Институте воссоздали специальную инженерную конструкцию слизистой оболочки щеки. Она отлично функционировала первые полгода, но впоследствии пришлось сделать повторную операцию.

Подпись к фото,

Испытательный образец ушного имплантата под воздействием ультрафиолета

В России, впрочем, на протяжении нескольких последних лет практиковал итальянский хирург-трансплатолог Паоло Маккиарини — человек, первым в истории сделавший операцию по пересадке синтетического органа — пластиковой трубки, заменившей пациенту трахею.

• Паоло Маккиарини: взлет и падение знаменитого хирурга

Однако семь из девяти его пациентов умерли, а имплантированные оставшимся двоим дыхательные трубки впоследствии пришлось заменить донорскими.

На него было заведено несколько уголовных дел, в том числе по обвинениям в давлении на пациентов и мошенничестве, а ведущие медики мира называли операции Маккиарини «этическим Чернобылем».

Заменят ли напечатанные органы доноров?

В зените своей карьеры Маккиарини утверждал, что перед человечеством открывается новая перспектива: можно «распечатать» на принтере любой человеческий орган, создать из него инженерную конструкцию, обогащенную стволовыми клетками пациента, и получить идеальный протез.

Как бы там ни было, сложные человеческие органы — печень, почки, сердце, легкие — пока не удалось вырастить ни одному регенеративному хирургу.

Биопечать так называемых простых органов, впрочем, уже доступна в США, Швеции, Испании и Израиле — на уровне клинических испытаний и специальных программ.

Американское правительство активно инвестирует в подобные программы — кроме Wake Forest, сотрудничающей с Пентагоном, на воссоздание работы печени, сердца и легких значительные суммы получает и Массачусетский технологический институт.

Подпись к фото,

Тест нанесения кожи на обожженную рану

По мнению профессора Хорхе Ракелы, гастроэнтеролога в исследовательском центре Mayo Clinic, «биопечать — одна из самых потрясающих отраслей современной медицины, за ней огромный потенциал, и переломный момент самых важных открытий уже близок».

Между тем Пит Басильер, руководитель отдела по научно-исследовательской работе аналитической компании Gartner, настаивает: технологии развиваются намного быстрее, чем понимание тех последствий, которые может повлечь за собой 3D-печать.

Подобные разработки, по словам Басильера, даже созданные с самыми благими намерениями, рождают набор вопросов: что случится, когда будут созданы «улучшенные» органы, основой которых станут не только человеческие клетки — будут ли они обладать «суперспособностями»? Будет ли создан контролирующий орган, следящий за их производством? Кто будет проверять качество этих органов?

Согласно докладу Национальной медицинской библиотеки США, в очередь на пересадку органов каждый год встают больше 150 тыс. американцев. Донорские органы получит только 18% из них; каждый день в Штатах, так и не дождавшись трансплантации, умирают 25 человек. Пересадка органов и последующая реабилитация только в 2012 году обошлись страховым компаниям и пациентам в 300 млрд долларов.

• Трехмерный принтер помог велосипедисту, лишившемуся челюсти
• Генетически модифицированные свиньи — доноры органов для человека?
• Первый в мире ребенок, которому пересадили обе руки, играет в бейсбол

При этом большинство американцев — потенциальные доноры: при получении водительских прав они добровольно отвечают на вопрос о том, согласны ли поделиться своими органами в случае автокатастрофы или другого опасного инцидента. В случае согласия в углу документа появляется маленькое «сердечко» и слово «донор».

Такое красуется и на водительском удостоверении профессора Аталы — несмотря на все свои достижения и веру в «органы печати», он готов поделиться с окружающими своими.

Ни сам профессор, ни его подчиненные не скрывают — «напечатать» органы для тысяч нуждающихся в пересадке прямо сейчас наука пока не в состоянии. По его словам, на то, чтобы на уровне массового рынка заменить донорские органы выращенными, уйдет несколько десятков лет.

Работа Аталы и других специалистов в области регенеративной медицины остается скорее испытательной, чем массовой, и все еще «заточенной» под каждого отдельного пациента.

Биочернила для Биопринтеров

Биочернила — это материал(филамент), используемый для производства инженерных(искусственных) живых тканей с использованием технологии 3D-печати. Он может состоять только из клеток, но в большинстве случаев также добавляется дополнительный материал-носитель, который обволакивает клетки. Этот материал-носитель обычно представляет собой биополимерный гель, который действует как трехмерный молекулярный каркас. Клетки прикрепляются к этому гелю и это позволяет им распространяться, расти и размножаться в этой среде.

Важно отметить, что гель также может обеспечивать защиту клеток от негативного воздействия во время процесса печати. Его настолько важно, что термин«биочернила» часто используется для описания одного материала-носителя, независимо от клеток, которые могут размножаться на нем.

3D-печать имплантируемого каркаса

Источник фото: rokithealthcare.com

Метод биопечати на 3D-принтере INVIVO Premium позволяет создавать импланты не только мягких тканей, но и хрящей. Из гидроксиапатита (ГАп), деионизованной воды, бета-трикальцийфосфата (β-ТКФ) и поликапролактона (ПКЛ) был получен образец имплантируемых каркасов из синтетических костно-замещающих материалов.

Достижения биопечати в медицине

В 2019 году исследователи из разных стран достигли выдающихся результатов в сфере печати имплантов человеческих органов. Команда под руководством Университета Райса и Вашингтонского университета разработала инструмент для 3D-печати сложных и «изысканно запутанных» сосудистых сетей. Они имитируют естественные проходы организма для крови, воздуха, лимфы и других жидкостей, и они будут необходимы для создания искусственных органов. 

Ученые из Университета Ньюкасла разработали технологию, которая позволяет печатать роговицу человека в лаборатории на 3D-принтере. Ученые используют глаз пациента для получения данных, необходимых для печати новой роговицы. Таким образом, роговица с биопечатью идеально сочетается по размеру и форме с оригинальной.

Мировая карта биопечати

Биопечать в мире, Источник фото: 3dprint.com

Настоящая карта подготовлена он-лайн изданием 3DPrint.com – всемирно известным информационным ресурсом, специализирующимся на вопросах 3D-печати. 

Биопечать в США, Источник фото: 3dprint.com

Здесь представлены практически все компании, занятые разработкой биопринтеров и биоинтерфейсов, –  как признанные центры развития биопечати, так и стартапы, способные произвести революцию в создании машин и материалов следующего поколения. 

Биопечать в Европе, Источник фото: 3dprint.com

Почему напечатанные органы до сих пор не пересаживают?

Пока что самым успешным опытом оказалась пересадка хрящевых тканей — тех самых ушей китайским детям.

Небольшие кости из искусственных клеток печатают на принтере, а затем покрывают слоем. Их планируют пересаживать вместо сломанного или поврежденного участка, после чего они за три месяца полностью регенерируют. В будущем технологию хотят использовать для травм позвоночника.

Самое перспективное направление — 3D-печать кожи. Уже через пять лет обещают, что это можно будет сделать прямо на человеке, поверх или вместо поврежденного участка. Кожу и другие ткани печатают из клеток больных раком, чтобы протестировать различные варианты терапии.

Более сложные органы — такие как почки или сердце — пока что печатают только в виде прототипов или пересаживают мышам, но не людям.

Чтобы органы хорошо приживались и функционировали в организме человека, берут клетки пациента, а потом они делятся, пока их не будет достаточно для печати. Существуют целые институты, которые создают клеточные линии для биопринтинга. Но проблема в том, что у клеток есть предел деления, после которого они уже не пригодны для использования. Поэтому можно напечатать модель сердца, но не в натуральную величину — то есть оно не подходит для пересадки человеку.

Вторая проблема — в том, что напечатанный орган должен функционировать в связке с остальным организмом: переваривать пищу, выделять гормоны, доставлять кровь и кислород. За все это отвечает сложная система клеток, тканей, нервов и сосудов. Воспроизвести ее в точности пока что не получается.

Программное обеспечение для биопринтеров тоже на стадии разработки: чтобы довести его до совершенства, нужно обработать большой объем медицинских, клинических, статистических данных.

Наконец, технологии биопринтинга пока что никак не регулируются. Все исследования должны пройти все стадии тестов — в том числе на человеке, а потом — получения патентов.

Пока что эксперты прогнозируют внедрение технологий не раньше, чем через 10—15 лет. К тому времени биопринтеры и клеточные материалы станут широко доступными, и пользоваться биопечатью смогут даже в самых отдаленных регионах.

3D-биопринтеры в России

Пока что устройства для биопечати в России представлены только одной компанией, созданной сооснователем сети ИНВИТРО – 3D Bioprinting Solutions. Проходящие исследования на российской части МСК в условиях невесомости вселяют в исследователей надежду, что будут получены уникальные данные, на основе которых станут разрабатываться новые лекарства.

Ученые также с оптимизмом смотрят на создание функциональных сложных органов человеческого организма, говоря о том, что они появятся уже в текущем столетии.

Развивающиеся технологии в области биопринтинга дают возможность сделать следующие выводы:

• Передовыми разработками занимаются ученые по всему миру.
• В области биопринтинга постоянно делаются серьезные успехи.
• Новые технологии спасают жизни, врачи уже успешно создают и трансплантируют отдельные органы и ткани в организм человека.
• Доступность печати все еще остается под вопросом. Не каждый может ее себе позволить и далеко не всегда она помогает полноценно заменить плохо функционирующую часть тела.
• Создание таких сложных полноценных органов как сердце, печень, мозг еще впереди.