После 10 лет разработок команда биолога Энтони Аталы представила публике Cистему печати встроенной ткани и органов. После окончания всех анализов эти 3D-бионапечатанные структуры будут использоваться для замены поврежденной, больной или мертвой ткани пациентов. А так как они спроектированы на компьютере, то эти заменители будут в точности соответствовать нуждам каждого отдельного пациента. Детали технологии освещены в статье, напечатанной в журнале Nature Biotechnology.
Биопринтеры работают также как обычные 3D-принтеры, но вместо пластика или металлов используют специальные биоматериалы, которые по характеристикам напоминают функционирующую живую ткань. Но до сих пор пор биопринтеры не могли печатать ткани нужных размеров или прочности. Материалы получались слишком слабые и структурно нестабильные для хирургической трансплантации. Также они не могли печатать кровеносные сосуды, а без них новые клетки не могли получать кислород и питательные вещества.
Новый биопринтер преодолел все эти недостатки. Биоразрушаемый полимерный материал используется для создания формы ткани, а гель на основе воды доставляет клетки в структуру (гель не токсичен по отношению к клеткам) Временная внешняя структура помогает поддерживать форму объекта во время процесса печати. А чтобы справиться с ограничениями по размеру, исследователи внедрили в объект специальные микроканалы, которые позволяют доставлять питательные вещества и кислород ко всем клеткам внутри структуры. «По сути мы воссоздали капилляры с помощью этих микроканалов», — %D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%20%20%D0%90%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B0.
%0A
%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B9%20%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%20%D1%80%D1%8F%D0%B4%20%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D1%8B%D1%85%20%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85.%20%D0%92%D0%BD%D0%B5%D1%88%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%83%D1%88%D0%B8,%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC%20%D1%81%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5,%20%D0%B1%D1%8B%D0%BB%D0%B8%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%8B%20%D0%BF%D0%BE%D0%B4%20%D0%BA%D0%BE%D0%B6%D1%83%20%D0%BC%D1%8B%D1%88%D0%B8.%20%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%20%D0%B4%D0%B2%D0%B0%20%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%8F%D1%86%D0%B0%20%D1%83%D1%88%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%E2%80%91%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%BC%D1%83%20%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%20%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83,%20%D0%B0%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B6%D0%B5%20%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D1%81%D1%8C%20%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%83%D0%B4%D1%8B%20%D0%B8%20%D1%85%D1%80%D1%8F%D1%89%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8C.%20%D0%9D%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BC%D1%83%D1%81%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8B%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%81,%20%D0%B8,%20%D0%BA%D0%B0%D0%BA%20%D0%B8%20%D0%B2%20%D1%81%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B0%D0%B5%20%D1%81%20%D1%83%D1%88%D0%B0%D0%BC%D0%B8,%20%D1%8D%D1%82%D0%B8%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%BE%D1%8E%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D1%83.
%0A
%D0%A1%D1%82%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%B3%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%20%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B9%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D1%8E%D1%81%D1%82%D0%B8,%20%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B6%D0%B5%20%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%81.%20%D0%A1%D0%BF%D1%83%D1%81%D1%82%D1%8F%20%D0%BF%D1%8F%D1%82%D1%8C%20%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%8F%D1%86%D0%B5%D0%B2%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%B0%D0%B1%D0%B6%D0%B0%D0%B5%D0%BC%D1%83%D1%8E%20%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%83%D1%8E%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8C.
%0A
%D0%90%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B0%20%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82,%20%D1%87%D1%82%D0%BE%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%8E%D1%82%20%D0%BD%D1%83%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80,%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%B8%20%D1%84%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%D1%85%20%D0%B2%20%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BC%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5,%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D0%BC%20%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D1%82%20%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%20%D0%B1%D1%83%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%20%D0%BB%D1%8E%D0%B1%D1%8B%D1%85%20%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC.%20%D0%A1%D0%B5%D0%B9%D1%87%D0%B0%D1%81%20%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%B7%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%8E%D1%82%D1%81%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%B9%20%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F,%20%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B5%20%D1%87%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%BE%20%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B5%D1%82%20%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%82%D1%8C%20%D0%BA%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D1%8B%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%D0%BC%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D1%8F%D1%85.">
«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.
«Распечатают ли нам, наконец, новые органы?» - этот странный вопрос в наши дни, оказывается, уже витает в воздухе. Так вот, сообщаем: распечатают. Но не сейчас. Не так скоро. Хотя в России уже разрабатываются и биопринтеры, на которых в будущем станут печатать «запчасти» для человека, и биобумага для таких устройств.
Одна из таких отечественных «точек роста» - лаборатория тканевой инженерии Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ РАН), расположенного в подмосковном наукограде Пущино.
«Кусочки сахара» и челюсть из них
Что же значит термин «тканевая инженерия» и откуда он взялся?
Прежде чем делать с нуля новые почки и сердце (чего мы пока не умеем), медицине предстояло освоить две задачи попроще. Во-первых, научиться воспроизводить твердые ткани – кости. И во-вторых, научиться воссоздавать большие куски тканей для «залатывания» тяжелых травм.
С этим к настоящему моменту дело обстоит довольно неплохо. В обоих случаях применяются «биодеградируемые материалы». Они не остаются в организме навсегда, а составляют основу, заселяя которую, стволовые клетки человека постепенно восстанавливают ткань. При этом сама «заплатка» попросту рассасывается.
Первым делом корреспондентам «МИР 24» показали нечто, похожее на «кусочки сахара» в колбах. Как оказалось, это – запасы материалов или препаратов, из которых формируется заменитель кости у человека. «Белые вещества» могут быть как из натуральной кости, так и из синтетических полимеров, таких как полилактиды и полигликолиды.
Напечатанная под управлением компьютера на 3D–принтере костная ткань по своей структуре может как полностью воссоздавать утраченный фрагмент кости, так и создавать другие конструкции, подходящие для обеспечения процесса ее восстановления.
«Возможности 3D-биопринтинга позволили, например, заместить удаленную из-за раковой опухоли нижнюю челюсть человека, - рассказывает руководитель лаборатории роста клеток и тканей Ирина Селезнева. – Прежде чем ее удалить, сняли томограмму и по компьютерной модели восстановили и напечатали каркас органа, который потом заселили собственными стволовыми клетками пациента и заместили утрату».
С воспроизводством мягких тканей дело обстоит сложнее. Однако за последние десять лет ученые существенно продвинулись и в этом направлении.
Из чего делается «биобумага»
Суть метода «биопечати» в данном случае в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и «матрикса», моделирующего условия межклеточной среды и соединительной ткани.
Источником клеток могут стать как донорские, так и собственные стволовые клетки человека, выделенные, например, из жира или костного мозга. Они могут быть превращены в различные типы клеток и тканей под воздействием биологически активных веществ.
Руководитель лаборатории тканевой инженерии профессор Владимир Акатов и Ирина Селезнева говорят о создании новых биоактивных материалов, способных активировать собственные регенераторные возможности организма без привнесенных извне клеток. Главное - создать условия для миграции и роста собственных стволовых клеток человека и формирования ими тканей.
«Биобумагой для биопринтера» ученые называют искусственную среду, в которой смогут расти живые клетки будущих органов. Она образуется из белков, полисахаридов и других биоактивных веществ и представляет собой гидрогель, который можно заправлять в биопринтер вместе с клетками, либо тонкую пленку, на которой можно печатать клетки.
«Мы исследуем эти гели при взаимодействии с клетками, - поясняет старший научный сотрудник Галина Давыдова. - Смотрим, как составить композицию, чтобы после полимеризации гидрогель обеспечивал механические характеристики конструкции и условия для жизни в них леток».
Галина Анатольевна набирает в один шприц белок коллаген, а в другую – полисахарид (метилцеллюлозу). И капает из обоих шприцов в чашечку Петри. Происходит реакция, в результате которой в чашечке образуется бесформенная «пенка» или пленка. Бумагу она напоминает весьма относительно – впрочем, что-то вроде кусочка рельефных обоев или линкруста. Это гель «полимеризуется».
Вот прототип той «подложки», куда станут слой за слоем наращивать клетки будущих органов. Она сможет образовывать трехмерные объемные структуры этих органов, а затем, сыграв свою роль, рассосется в организме. Пока ничего сногсшибательного с виду не напоминает.
Бумага нужна всем печатникам
Однако у пущинцев довольно солидные партнеры. «В нашей стране есть два лидера биопринтинга, несколько различающихся по своим подходам и аппаратному обеспечению, - рассказала Ирина Ивановна Селезнева. – Один из них – Владимир Миронов, глава 3D Bioprinting Solutions и профессор в Университете штата Вирджиния».
Технология Миронова похожа на «струйный принтер», когда под управлением компьютера струи из разных шприцов смешиваются, формируя на подложке ткань. «В качестве чернил используются клеточные сфероиды, агрегаты клеток, которые обладают способностью сливаться между собой, образуя те же капилляры и другие структуры, ткани», - отметила Селезнева.
Другой лидер - Борис Чичков, профессор Ганноверского университета им. Лейбница и заведующий лабораторией лазерной наноинженерии в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН в Троицке.
«Условно назовем это лазерный биопринтинг – рассказала Селезнева. - Очень короткие, фемтосекундные импульсы лазера позволяют сшивать материал шаг за шагом, задавая под управлением компьютера нужную форму матрикса с точностью до нанометров. Эти же лазерные импульсы способны переносить с одной поверхности на другую даже отдельные клетки, которые при этом сохраняют свою жизнеспособность ».
Технологии биопечати различаются, но без матрикса, обеспечивающего адекватное микроокружение для жизни клеток и формирования тканей в обоих случаях не обойтись. В Пущино разрабатывают «бумагу», как для струйного, так и для лазерного принтера, адаптируя характеристики гидрогелей к особенностям технологии биопечати.
В принципе, пользуясь методами биопринтинга в отдаленном будущем, возможно, удастся собирать орган, как пазл, из отдельных клеток и матрикса. А в ближайшем будущем напечатанные таким образом кусочки тканей станут новой моделью для тестирования новых лекарств.
Сверхзадача, которую ставят ученые на будущее – научиться наращивать ткани прямо на поврежденном месте. Тогда вместо громоздкого принтера будет использоваться инструмент вроде пистолета, из которого на тело пациента станут наносить элементы гидрогеля с клетками, которые прямо на человеке будут полимеризоваться, формируя новую ткань.
Совсем недавно в британском журнале The Economist была опубликована захватывающая статья про биопринтер, который будет использоваться для печати человеческих органов!
Хирурги, которые занимаются пересадкой человеческих органов, надеются, что однажды они смогут по первому запросу получить все необходимые для пересадки органы. Сейчас пациент может провести несколько месяцев, а возможно и лет, в ожидании органа от подходящего пациента. На протяжении этого времени его состояние может ухудшиться. Он может даже умереть. Благодаря искусственным органам, можно было бы не только облегчить страдания пациентов, но и сохранить человеческие жизни. Теперь, с появлением первого коммерческого 3D биопринтера, эта возможность может стать реальностью.
Создание биопринтера
Принтер стоимостью 200.000$ был разработан в результате сотрудничества двух компаний: Organovo, которая находится в Сан Диего и специализируется на регенеративной медицине, и машиностроительной Invetech, расположенной в Мельбурне. Один из основателей Organovo, Габор Форжак, разработал прототип, на котором основан новый 3D принтер. Первые рабочие образцы принтера скоро будут доставлены исследовательским группам, которые, как и доктор Форжак, изучают способы создания искусственных тканей и органов. В настоящее время большая часть этой работы выполняется вручную, при помощи существующих устройств.
По словам Кейта Мерфи, директора Organovo, вначале будут создаваться только простые ткани, такие как кожа, мышцы и небольшие участки кровеносных сосудов. Однако, сразу после окончания испытания тестовых образцов, начнется производство кровеносных сосудов для операций, когда необходимо «прокладывать» новые сосуды для движения крови чтобы обойти поврежденные. После дальнейших исследований, можно будет производить более сложные органы. Поскольку машины способны печатать сети разветвленных сосудов, можно было бы, например, создавать сети кровеносных сосудов, необходимых для снабжения кровью таких искусственно произведенных органов как печень, почки, сердце.
История развития биопечати
3D биопринтер, произведенный компанией Organovo, использует тот же принцип действия что и «обычные» 3D принтеры. 3D принтеры работают аналогично с обычными струйными принтерами, но печатают модель в трехмерном виде. Такие принтеры распыляют капельки полимера, которые сплавляются вместе, после чего образуют единую структуру. Таким образом, за каждый проход печатающая головка создает маленькую полимерную линию на объекте. В результате, шаг за шагом, предмет обретает свою окончательную форму. Полости в сложном объекте поддерживаются при помощи «подмостков» из специальных растворимых в воде материалов. Эти подмостки вымываются после того как объект будет полностью закончен.
Исследователи обнаружили, что аналогичный подход можно применить и к биологическим материалам! Если расположить крошечные участки клеток рядом друг с другом, они начинают как бы «сплавляться» вместе. В настоящее время исследуется ряд технологий, который бы позволил создавать человеческие органы из отдельных клеток, например, технология «накачивания» мышечных клеток при использовании маленьких машин.
Несмотря на то, что индустрия печати человеческих органов только зарождается, ученые уже могут похвастать успешными примерами создания человеческих органов «с нуля». Так, в 2006 году Энтони Атала, вместе со своими коллегами из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine в Северной Каролине, США, создали для семерых пациентов мочевые пузыри. Все они до сих пор функционируют.
Процесс создания мочевого пузыря происходил следующим образом. Вначале доктор брал крошечный образец ткани мочевого пузыря пациента (чтобы предотвратить отторжение новосозданного органа иммунной системой). Затем полученные клетки наносились на биологический мочевой пузырь, который представлял собой поддерживающую основу, имеющую форму мочевого пузыря нагретую до температуры человеческого тела. Нанесенные клетки начинали расти и делиться. После 6-8 недель мочевой пузырь был готов для имплантации пациенту.
Преимущество использования биопринтера состоит в том, что для его работы не нужна поддерживающая основа («подмостки»). Машина Organovo использует стволовые клетки, полученные из костного мозга. Из стволовых клеток можно получить любые другие клетки, используя различные факторы роста. 10-30 тысяч таких клеток формируются в маленькие капельки диаметром 100-500 микрон. Такие капельки хорошо сохраняют свою форму и прекрасно подходят для печати.
Итак, первая печатающая головка фактически выкладывает капельки с клетками в нужном порядке. Вторая головка используется для распыления поддерживающего основания - гидрогеля на сахарной основе, который не взаимодействует и не прилипает к клеткам. Как только печать закончена, полученную структуру оставляют на один-два дня для того чтобы капли «сплавились» друг с другом. Для создания трубчатых структур, таких как кровяные сосуды, вначале наносится гидрогель (внутри и снаружи будущей структуры). После этого добавляются клетки. Как только сформируется орган, гидрогель снимается с наружной части (как кожура апельсина) и вытягивается из внутренней части, как кусочек веревки.
В биопринтерах можно использовать и другие виды клеток и поддерживающих оснований. Так, по словам господина Мерфи, клетки печени можно наносить на заранее сформированное основание, имеющее форму печени или можно формировать слои из соединительной ткани для создания зуба. При этом новый принтер обладает такими скромными габаритами, что его можно спокойно поставить в биологический шкаф для обеспечения стерильной среды в процессе печати.
Некоторые исследователи полагают, что такие машины как эта, когда-нибудь смогут печатать ткани и органы прямо в человеческом теле! И, на самом деле, доктор Атала сейчас работает над принтером, который, после сканирования участка тела, где необходима пересадка кожи, сможет напечатать кожу прямо на человеческом теле! Относительно органов большего размера, доктор Форжак считает, что они могут принимать различные формы, по крайней мере, вначале. Например, для того чтобы очищать кровь, искусственная почка не обязательно должна выглядеть как реальная почка или функционально полностью повторять ее. Те люди, которые ждут органов, наверняка не будут сильно переживать из-за того, как будут выглядеть новые органы. Главное - чтобы они работали, а люди чувствовали себя лучше.
Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption С помощью 3D-технологий можно изготовить практически любую копию человеческого органа
Имплантированные в тела животных части костей, мышцы и хрящи, изготовленные на 3D-принтере, функционируют нормально, говорится в опубликованных в журнале Nature Biotechnology результатах разработки американских ученых .
Прорывное открытие дает возможность использования живых тканей для восстановления поврежденных органов.
Врач-профессор из Лондонского университетского колледжа назвал новую технологию "гусыней, которая несет золотые яйца".
Идея интегрировать индивидуальные стволовые клетки человека в изготовленную на 3D-принтере точную копию поврежденного органа способна совершить революцию в регенеративной медицине.
Заменить сломанную челюсть, поврежденную сердечную мышцу или вернуть человеку отсутствующее ухо с помощью такой технологии не составит большого труда.
На сегодняшний день главной проблемой трансплантации искусственно регенерированных органов остается сложность поддержания их жизнеспособности - ткани толщиной свыше 0,2 мм испытывают нехватку кислорода и питательных веществ.
Губка
Команда американского медицинского центра Wake Forest разработала новую методику, которая позволяет изготавливать при помощи 3D-принтера живую ткань, пронизанную микроканалами. Ткань имеет губкообразную основу, что позволяет питательным веществам и нейронным сетям проникать в ее структуру.
Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption Для 3D-печати частей тела используется интегрированная регенеративная системаТехнология представляет собой интегрированную систему, часть которой отвечает за рост тканей, другая - за изготовление на 3D-принтере точной копии заменяемого органа.
Исходный материал состоит из биоразлагаемого пластика, который формирует внешнюю структуру воссоздаваемого органа, и геля на водной основе, который содержит клетки и стимулирует их рост.
Испытания на животных показали, что после имплантации пластик постепенно разрушается, а его место занимает естественная структурная матрица из белков, продуцируемых клетками.
Кровеносные сосуды и нервы вращиваются непосредственно в имплантаты.
Широчайшие возможности
Как говорит профессор Энтони Атала, ведущий исследователь центра Wake Forest, в настоящее время уже можно печатать и человеческие ткани, но ученые хотят дождаться окончания тестов на животных, чтобы понять, насколько прочны воссозданные органы.
Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption Так на томограмме выглядит сломанная челюстная костьКак бы то ни было, 3D-печать открывает новые возможности для медицины. "Предположим, к нам поступил пациент с травмой челюсти, часть которой отсутствует. Мы делаем пациенту томографию, затем передаем данные на принтер, и он создаст недостающую часть челюстной кости, которая будет полностью подходить больному", - сказал он Би-би-си.
Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption А так - изготовленный при помощи 3D-принтера недостающий фрагментТехнологии с использованием биоразлагаемых материалов, которые затем пропитывают раствором со стволовыми клетками, уже применяются.
Два года назад в медицинском центре Wake Forest проводились опыты по пересадке выращенных в лаборатории женских половых органов, но в целом возможности таких процедур ограничены из-за проблем с сохранением жизнеспособности клеток.
Как говорит профессор Атала, в их недавнем эксперименте были созданы самые различные виды тканей - мышцы, мягкие хрящи и твердые кости, - что свидетельствует о широчайших возможностях новой технологии.
Золотая гусыня
Профессор Мартин Бирчелл, занимающийся хирургией в Лондонском университетском колледже, называет результаты исследования поразительными.
"Перспектива использования 3D-печати человеческих тканей и органов для имплантации была реальной, но, признаюсь, я не ожидал увидеть такой быстрый прогресс. То, что они сумели создать, можно назвать гусыней, несущей золотые яйца!" - восхитился врач.
Он также считает, что прежде чем использовать новую технологию на людях, нужно провести дополнительные испытания, но надеется, что это займет немного времени.
"Учитывая масштаб этого прорывного исследования, прогресс в других областях, ресурсы, имеющиеся в распоряжении ученых из Wake Forest и насущные потребности здаравоохранения, я думаю, что уже менее чем через десять лет хирурги, такие как я, смогут делать операции с напечатанными органами и тканями. Жду-не дождусь", - добавляет Мартин Бирчелл.