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 компанией «3Д Биопринтинг Солюшенс».

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 3DBio.

Детальнее узнать, как проходили исследования в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» 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.

3D-печать человеческого органа, возможно, когда-то станет медицинской рутиной. В компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» корреспондент ИТАР-ТАСС познакомился с достижениями отечественного биопринтинга.

Сотрудник Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс»

Три этапа биопечати

В лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» под стеклом ламинара (стерильного бокса) стоит устройство, на первый взгляд напоминающее обычный 3D-принтер: механические приводы, а картриджи в виде стеклянных трубок: в них «чернила». Принтер шуршит, разворачивает картриджи, что-то выдавливается на стеклянную подставку — постепенно появляется какая-то крошечная студенистая конструкция. В данном случае элементарной каплей чернил являются не просто клетки, а так называемые тканевые сфероиды — шарики микронного размера, содержащие в себе до 2 тыс. живых клеток необходимого вида. Учитывая, что орган состоит из клеток разных видов, картриджей тоже несколько. Биобумага, то есть место закрепления биочернил, — гидрогель.

«Обычным» 3D-принтером уже мало кого удивишь: он был придуман в 1985 году американцем Чаком Холлом. По прошествии трех десятилетий 3D-принтеры производятся серийно, их главное коммерческое применение на сегодня — печать объемных прототипов чего угодно, от зданий до самолетов. Есть и бытовые модели, которые позволяют вам распечатать, например, чашку. В медицине 3D-печать тоже давно применяется: в хирургии, стоматологии для изготовления протезов или имплантов. Но поистине революционными выглядят перспективы биопечати, следующей эволюционной ступени 3D-печати. Когда человечество научится печатать живыми клетками новые органы взамен изношенных, жизнь уже никогда не будет прежней.

Российский ученый Владимир Миронов задумался в 2003 году в университете Северной Каролины: а почему бы по точно такому же принципу, по которому 3D-принтер изготавливает полимерные конструкции, не воссоздавать биологические структуры, используя клетки вместо пластика в качестве «чернил». В том же 2003 он разработал общую технологию так называемого «органпринтинга» и выпустил статью, после которой в обиход и вошли термины «биопринтер», «биобумага», «биочернила». Сегодня Владимир Миронов - научный руководитель российской компании «3Д Биопринтинг Солюшенс», резидента кластера Биомедицинских технологий Сколково.

Глазом не видно, но, как мне объясняют, биопринтер оснащен еще и источником ультрафиолета: излучение необходимо для отвердения биодеградируемого гидрогеля.

«Заметьте, мы занимаемся не выращиванием, а ассемблированием, то есть сборкой органов. Все начинается с цифровой 3D-модели органа - необходимо виртуально разрезать его на слои, задать распределение клеток разного вида в этих слоях, предусмотреть размещение полых внутри сфероидов, из которых образуются сосуды», - рассказывает Владимир Миронов. На экране видно, что именно только что на моих глазах делал принтер: на основу гидрогеля выкладывается слой шариков-сфероидов (разные цвета шариков — разные клетки), дальше опять слой гидрогеля, а на него — следующий слой сфероидов. А вот в объемной модели образовались цилиндрические отверстия — это каналы сосудов. Напечатанная конструкция — еще не готовый орган. Пока это просто именно конструкция, в которой сфероиды клеток поддерживает находящийся между ними гидрогель: отсюда и вид студня. Следующий этап — созревание ткани, то есть срастание вместе сфероидов с одновременным выведением гидрогеля. Этот процесс происходит в специальном биореакторе: небольшая камера, помещенная в поддерживающий необходимую температуру и влажность шкаф-инкубатор. «То, что вы видели, это, собственно, и есть три основных этапа сборки органа: создание цифровой модели, процесс печати и созревание. Каждый из них сам по себе — отдельное сложное направление изысканий», — замечает Владимир Миронов.
Владимир Александрович Миронов, научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс»

Клеточные технологии

Понятно, что каждый орган должен печататься из клеток, подходящих конкретному пациенту. Сырьем для изготовления «биочернил» являются стволовые клетки из трех источников. Из них можно вырастить клетки для любого органа. Первый, самый доступный — жировая ткань самого пациента. Другой источник — эмбриональные стволовые клетки. Клетки эти выделяются из пуповинной крови после родов и хранятся в специальных криобанках. Но мало кто из пациентов располагает таким запасом. Поэтому существует третий источник: индуцированные стволовые клетки, то есть с высокой степенью приближения, выращенные для пациента с использование донорских клеток.

«Мы не занимаемся производством алюминия — мы строим самолеты», — Владимир Миронов находит все новые слова, объясняя, что задача лаборатории — отработать технологию по сборке органов, а не заниматься получением клеток (для этого существуют специализированные компании). Тем не менее, элементарные клетки из жировой ткани получают прямо здесь. А главное, сфероиды для экспериментов производятся прямо в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс». Мне демонстрируют пластиковые формочки с сетчатой структурой для изготовления сфероидов. Сфероид — капелька в 200−250 микрон. Под микроскопом видно, что в оболочке шарика множество клеток. Изготавливаются сфероиды и вручную (наносятся пипеткой), и с помощью специальной, созданной в «3Д Биопринтинг Солюшенс» машинки: автоматизированную технологию пока отрабатывают.

Автоматизированный микрофлюидный способ масштабирования сфероидов обеспечит биопринтер чернилами для большого тканевого конструкта: 1 тыс. сфероидов в секунду.

Сотрудник Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс»

На пороге практики

В «3Д Биопринтинг Солюшенс» всего 16 человек, включая исследователей и менеджмент. По словам исполнительного директора Юсефа Хесуани, компания создана в начале 2013 года, и с этого времени в создание лабораторий и исследования вложены уже сотни тысяч долларов. Примечательно, что инвестором является известная сеть лабораторий «ИНВИТРО». Как заметил Владимир Миронов, обычно от идеи до готовой технологии проходит 15−30 лет. По его прогнозам, на поток имплантацию первых напечатанных на биопринтере органов (вначале сравнительно простых вроде щитовидной железы) поставят примерно в 2030 году. Простота или сложность органа определяется наличием разных «опций» вроде каналов, клапанов и прочих элементов, которые зачастую непросто напечатать. «В будущем же отделение „биопринтинга“ при каждой больнице будет таким же обычным явлением, как рентген-кабинет или операционная, — уверен Владимир Миронов. — Необходим какой-то орган — сразу на месте напечатали».

Однако монетизировать технологии биопринтинга можно, не дожидаясь этого светлого будущего. «Мы здесь создали первый российский коммерческий биопринтер — уже сегодня можем создавать такие под заказ. У нас есть заявки из разных стран», — рассказывает Юсефа Хесуани. Биопринтеры в мире стоят от $250 тыс. до $1 млн. Напечатанные на них биологические структуры используются, например, фармкомпаниями для тестирования новых препаратов. Созданный «3Д Биопринтинг Солюшенс» первый российский биопринтер отличается от иностранных аналогов, во-первых, особым решением для ультрафиолетового облучения, которое попадает на гидрогель, не задевая клетки. Во-вторых, это единственный многофункциональный принтер — сочетает все известные методы печати (клетками, сфероидами, в гидрогеле, без гидрогеля).

И, наконец, специалисты «3Д Биопринтинг Солюшенс» сделали свой принтер небольшим, то есть помещающийся в стандартный серийный ламинар — для западных аналогов обычно приходится заказывать отдельные ламинары, которые стоят по $20 тыс. «Мы собираемся заниматься совместными научными исследованиями на нашем принтере с научными группами со всего мира, работать над различными проектами, коммерциализация которых возможна, — рассказывает Юсеф Хесуани. — Выступать в качестве технологической площадки для испытаний биочернил и биобумаги, налаживать технологии биопечати, делать на заказ пробы материалов и т. д. В том числе, продавать наш автомат и формы для производства сфероидов».

Сегодня в мире меньше двух десятков компаний, имеющих готовые биопринтеры. Но мир верит в перспективы направления, которое сулит переворот в деле охраны здоровья: наладившая выпуск биопринтеров американская компания Organovo вышла в прошлом году на IPO с капитализацией $1 млрд. «Organovo отладила технологию от опытного образца до серийного за пять лет. Мы пройдем этот путь быстрее, — замечает Владимир Миронов. — В США свой последний биопринтер я делал полтора года, а здесь, в России, мы сделали за полгода. Также за полгода удалось наладить получение сфероидов: в бразильской лаборатории мы на это потратили два с половиной года».

«Проект по созданию 3D Биопринтера имеет две ступени коммерциализации. Первоначально принтер будет предлагаться для продаж science-2-science, и печать биологических тканей и моделей органов может использоваться для разработки лекарственных средств, — говорит Кирилл Каем, вице-президент фонда „Сколково“, исполнительный директор кластера биомедицинских технологий. — Мы рассчитываем, что, благодаря экосистемному эффекту, разработки „3Д Биопринтинг Солюшенс“ будут востребованы и другими резидентами „Сколково“. На второй ступени коммерциализации мы ожидаем, что успешное развитие системы позволит уже через несколько лет печатать органы для использования в клинической практике, в том числе и в Научно-исследовательском медицинском центре на территории „Сколково“. Проект „3Д Биопринтинг Солюшенс“ находится на передовом рубеже науки и практики. В мире всего пара десятков подобного рода разработок, при этом, в отличии от проекта резидента „Сколково“, достаточно большая часть из них ориентирована именно на печать тканей, а не цельных органов».

Владимир Миронов уверен, что уже в следующем году его команде удастся напечатать первый полноценный орган — щитовидную железу.

3D-принтеры сегодня используются во многих сферах нашей жизни, позволяя создавать различные декоративные элементы для интерьера, протезы для органов человека, дизайнерские украшения или даже шоколад. Но наука не стоит на месте, и сегодня уже планируется 3D-печать органов из биологического материала. Это самый настоящий революционный прорыв, поскольку донорские органы – большой дефицит.

Особенности печати органов на 3д-принтере

Создание функционирующих органов человека посредством 3D-печати позволило бы решить самую главную проблему – нехватку этих самых органов, чтобы спасти миллионы пациентов по всему миру. Идея о выращивании человеческих органов возникла еще в прошлом веке, но до момента появления биопечати воплотить их в реальность не представлялось возможным. В Институте регенеративной медицины первыми стали создавать синтетические строительные блоки для выращивания мочевого пузыря человека на основе 3D-печати. Однако первая печать появилась только в 2000-е годы.

Первый 3D-принтер для биопечати: Organovo

Компания Organovo в 2010 году первой запустила печать человеческих органов. Сегодня специалисты компании активно занимаются попытками создать образцы печени, но их пока нельзя использовать для трансплантации. 3д печать органов по степени сложности превышает обычные устройства для трехмерной печати, однако общих черт у этих двух процессов немало:

• Применяются картриджи и печатающие головки,
• Вместо чернил используется биоматериал,
• Формирование органа ведется послойно на специальной рабочей поверхности.

Однако перед печатью каждая деталь проходит ряд проверок. Для начала сам пациент проходит процедуры КТ- сканирования и МРТ. Полученные результаты обрабатываются посредством компьютера, после чего создается макет – именно он используется в принтере, чтобы определить места и способы нанесения клеток. Биологические принтеры работают на основе человеческих клеток того органа, синтез которого проводится, или на основе стволовых клеток. Цельная структура органа получается благодаря специальному скрепляющему веществу, которое имеется в картридже.

Сразу после завершения печати созданный орган помещается в специальные условия в инкубаторе – это необходимо для того, чтобы клетки начали деление и синхронизацию в совместной работе.

В чем проблемы?

Биопринтер для печати человеческих органов Organovo – это современное устройство, за которым большое будущее. Однако имеется ряд проблем, связанных с этим нелегким и трудоемким процессом:

1. Дефицит материала, который можно было бы использовать для производства человеческих органов.
2. Сложность и в прорастании клеток вне тела человека: наши органы устроены очень сложно, поэтому наладить работу искусственного органа очень трудно.
3. Ограниченность технических возможностей. Во-первых, не хватает качественного и мощного оборудования, позволяющего создавать максимально приближенные к натуральным человеческие органы. Во-вторых, очень трудно заставить клетки работать слаженно, поскольку требуется производство еще и кровеносных сосудов – именно они способствуют правильному функционированию органов. Кстати, первые шаблоны кровеносных сосудов уже были произведены в университете Бригама Янга. Для их создания использовался линейный полисахарид агарозы.

Особенности работы биологического 3D-принтера

– процесс непростой, поэтому и само устройство имеет ряд особенностей. Биопринтер хорош тем, что он работает без использования поддерживающей основы. Organovo работает на основе стволовых клеток, которые получают из костного мозга. Именно эти клетки формируются в маленькие капельки диаметров от 100 до 500 микрон, которые хорошо держат форму и позволяют вести качественную печать. Суть этого процесса в следующем: первой печатающей головкой выкладываются капельки с клетками в нужной последовательности, а вторая распыляет поддерживающее основание. В этом качестве используется гидрогель на основе сахарной пудры, который не вступает во взаимодействие с клетками. После завершения печати полученная структура оставляется на пару дней, чтобы произошло сцепление капель друг с другом.

Возможна с применением других материалов и поддерживающих основ. Например, клетки печени можно нанести на заранее подготовленное основание в виде этого органа.

Какие перспективы?

3D-технологии печати сегодня очень популярны, в том числе и в сфере создания человеческих органов. Однако пока печать органов на принтере имеет ряд проблем. Допустим, созданная компанией Organovo печень была полностью идентична человеческой, выполняла все ее функции, однако синтезированный орган смог просуществовать около 40 дней. Не так давно были созданы посредством 3D-печати клапаны сердца, вены, а вот печать полноценного сердца пока невозможна. Сегодня все больше разговоров о создании 3D-почек, которые можно было бы трансплантировать человеку.

Ученые Organovo считают, что создавать органы можно и без поддерживающей структуры, поскольку живые клетки могут самоорганизоваться. При этом они отмечают, что 3D-печать органов имеет четыре уровня сложности:

1. Самые простые для печати – плоские структуры из одного вида клеток, например, кожа.
2. Вторые по степени сложности – трубчатые структуры, например, кровеносные сосуды.
3. На третьем уровне сложности полые органы (мочевой пузырь или желудок).
4. И самые сложные для печати органы – печень, почки и сердце.

Кроме того, технология 3D-печати органов может применяться и в других сферах. Например, посредством 3D-сканирования можно создавать кости, чтобы вернуть человеку возможность подвижного образа жизни. Биологический принтер позволяет создать структуры, поддерживающие скелет: это способствует быстрому излечению пациентов. На созданных посредством 3D-печати органах можно тестировать лекарства, чтобы выявить их побочные эффекты.

Устройство размером с кофе-машину тихо возвращает к жизни. Оно стерильно, а роботизированный механизм движется быстро. Он парит, снижается, затем перемещает пару шприцов между чашками Петри. Короче говоря, быстрыми движениями они выдавливают молочную пасту, и вскоре образуются маленькие шестиугольники. Через несколько минут они вырастают до сотовой конструкции размером с ноготь.

«Соты печени человека», говорит Шарон Преснелл, главный технический директор Organovo, – «Или по крайней мере их основа». Крошечные образцы биомедицинской инженерии почти идентичны образцам ткани реальной человеческой печени, и они строятся из настоящей человеческой клетки. Но вместо того, чтобы выращивать, ученые печатают их, как если бы это был документ, или точнее они создают макет.

За два десятилетия развития, 3D-печать выросла от небольших исследовательских лабораторий до огромной $2,7 миллиардной индустрии, ответственной за изготовление всевозможных вещей: игрушек, наручных часов, частей механизмов, продуктов питания. Сейчас ученые работают над возможностью применения аналогичных технологий в области медицины, тем самым ускоряя исследования в этой сфере. Но печатать живыми клетками гораздо сложнее чем с помощью пластика, металла или шоколада.

Лаборатории по всему миру научились печатать прототипы частей тела: клапанов сердца, ушные раковины, искусственные кости, мениски, трубки сосудов и кожу для пересадок. Ученые-медики получили в руки новый инструмент, который заставляет мыслить по-новому, ставить опыты и проводить невозможные ранее эксперименты.

С 2008 по 20011 год, количество научных статей, ссылающихся на биопечать, выросло в три раза, инвестиции возросли также. В 2007 году было выделено $600000 в виде грантов на исследования в области биопринтинга. А уже в прошлом году Organovo привлекла себе на исследования $24,7 миллиона.

Причиной такой тенденции являются три основных фактора: появление более сложных принтеров, достижения в области регенеративной медицины и развитие изысканного программного обеспечения САПР. Так для запуска процесса, приведенной выше печати ткани печени, инженеру-системотехнику понадобилось только запустить программу на компьютере. Полученная сотообразная ткань ещё далека от полностью функционирующего органа, но даже это уже является реальным шагом в данном направлении.

История

Самые первые биопринтеры не были ни дорогими, ни фантастическими. Они напоминали дешевые настольные принтеры, потому что на самом деле это они и были. В 2000 году ученые уже модифицировали обычные струйные принтеры для печати фрагментов ДНК, а биоинженер Томас Боланд придумал использовать то же самое оборудование для печати других биоматериалов. Ведь наименьшие клетки человека имеют размер 10 микрон, что примерно равно размеру стандартной капли чернил. Основой для первого устройства послужил разобранный принтер Lexmark.

Затем был перенастроен HP DJ 550C для печати клетками с бактериями кишечной палочки. Тогда же проведен эксперимент с клетками более крупных млекопитающих: хомячков и крыс. Было установлено что после печати 90% клеток остаются жизнеспособными, и это означало перспективность исследований. В 2003 году Боланд подал первый патент на печать клеток.

В то время, как лаборатория Боланда работала на вопросом биопринтера, другие исследователи научились применять 3D принтеры для других медицинских проблем. Были напечатаны костные трансплантаты из керамики, зубные коронки из фарфора, слуховые аппараты из акрила и протезы из полимера. И эти инженеры имели возможность, которой небыло у Боланда и его коллег – они могли печатать в трех измерениях.

Следствием этого стало изменение биопринтеров, с добавлением перемещения платформы по вертикали, что позволило печатать клетки в несколько слоев.

Джеймс Йю, исследователь из института Регенеративной Медицины, разрабатывает портативный принтер для создания лоскутов кожи непосредственно на ожоге. Возможность печати клетки в трех измерениях открыло новые возможности, Йю пояснил: «Каждая рана отличается глубиной и неравномерностью, путем сопоставления вы можете определить сколько слоев клеток нужно для подкожных тканей, и сколько для эпителиальных областей. Преимущество принтера заключается в том, что с ним возможно доставить клетки более аккуратно и точно».

Ученые научились печатать различными типами «чернил», Ход Липсон создал прототип другого вида ткани – хряща. Им было сказано: «Такая степень пространственного контроля над размещением клеток никогда ранее не была возможна, и это открывает множество новых возможностей». Его команда использовала компьютерную томографию, чтобы создать файл САПР и напечатать мениск овцы. Полученный диск мениска выглядел многообещающим, но по своим свойствам оказался слишком хрупким для работы в организме. Результатом стало озвученное мнение, что органу надо создавать дополнительную нагрузку во время инкубирования, после распечатывания, чтобы клетки перестроились и приобрели необходимую жесткость. Наилучшим решением этого может стать создание специального биореактора, в котором будет генерироваться необходимая среда (тепло, свет, звук) для придания тканям необходимых свойств. «Для некоторых тканей, не только простые люди, но и мы, медики, не знаем, что необходимо сделать чтобы ткань повела себя как настоящая», – говорит Липсон: «Вы можете поместить сформированные клетки сердечной ткани в нужном месте, но как их запустить?»

Большинство органов имеют весьма сложные структуры, с десятками типов клеток и сложными взаимосвязями, выполняющими конкретную работу, та же печень выполняет более 500 функций. Органы изнашиваются и разрушаются с течением времени, иногда это происходит неожиданно, и очень часто предоставить донорские органы для трансплантации не представляется возможным. Печать органов на биопринтерах в лабораториях может решить эту проблему.

В первых экспериментах, по выращиванию органов, клетки наносились пипетками в чашках Петри, их размещали на искусственных подпорках, изготовленных из биоразлагаемых полимеров или коллагенов, для создания временной матрицы. Даже такая простая система работала, и первые семь мочевых пузырей для имплантации были созданы в Бостоне в период 1999-2001 годов.

Затем исследователи стали использовать 3D принтеры для создания более точных подпорок, но размещение клеток все еще осуществлялось вручную, что было трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно создать только из двух типов клеток, а например почки состоят уже из 30. Для создания таких сложных тканей нет никакой возможности для выполнения работы вручную.

Следствием этого стало изучение возможности создания биопринтеров которые смогут не только печатать многими различными видами клеток, но и сразу же создавать подпорки из синтетических тканей, что позволило бы производить такие сложные объекты как уши, носы, кости.

Подпорки обеспечивают тканям механическую стабильность, и они могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как в случае полимеров, они могут вводить и посторонние вещества и вызывать воспаление. Даже отдельные типы клеток по-разному реагируют на материал подпорок, а каким образом скажется влияние на сложный орган вообще трудно предсказать. В результате не все ученые считают, что подпорки являются необходимыми.

Габор Форгас, соучредитель Organovo считает, что печатать надо исключительно из живых человеческих тканей, чтобы они сами формировали орган: «В этом и заключается большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думает, что свеженапечатанный клеточный материал сразу представляет собой готовый орган».

В университете Форгас изучал морфогинез – процесс, который определяет образование органов во время эмбрионального развития. Организовав в сотовых агрегатах крошечные сферы содержащие тысячи клеток, в его лаборатории смогли наблюдать за ними, их слиянием, образованием новых структур, и в целом весь каскад связей приводящих к изменениям. Команде Форгаса был вручен грант Национального Научного Фонда для проведения экспериментов с биопринтером в этом направлении.

Инженеры не могут точно знать, где должны располагаться конкретные клетки в готовом органе. Форгас считает, что клетки должны самоорганизовываться как в эмбрионе, как это и делали в течении миллионов лет эволюции.

Есть и другой фактор неиспользования искусственных подпорок. «Вы никогда не сможете построить значительную биологическую структуру, большой орган или ткань за счет формирования только отдельных клеток», – рассуждает Форгас: «Ткани организма очень хорошо организованы, в соответствии с очень строгими правилами, и даже полмиллиметра помехи от искусственной поддержки могут помешать функционированию органа».

Технически говоря, уже возможно построение органов путем послойной укладки клеток, и это даже было сделано с клетками сердца, когда они сраслись то бились в унисон, как и сердце. Биологически же это ещё не возможно, клетки должны расти, обладать необходимыми свойствами, им требуется подача питательных веществ и кислорода по сети кровеносных сосудов. В проведенном же эксперименте это не было реализовано, а без этого клетки просто умирают.

Исследователи из Organovo сделали относительно надежную систему для печати сосудов кровеносной системы, с использованием наполнителей (таких как гидрогель) между клеток соединительной ткани. Наполнитель может быть извлечен позже, оставляя пустые каналы для тока крови. Инженер-механиком Ибрагимом Озболатом был разработан биопринтер, который может сразу наносить и сосудистую сеть и наполнитель. По словам Озболата, главной задачей стало создание мелких капилляров, связывающих крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что решение этого вопроса займет пару лет, это позволит исследователям масштабировать процесс в зависимости от сложности сосудистой системы. Именно поэтому реальное создание печатных органов – это только вопрос времени.

Для формирования трубчатых структур, основы кровеносных сосудов, ученые Organovo используют в биопринтере для нанесения слоев гидрогеля стержней (синий) и био-чернила сделаны из сфер или цилиндров, которые содержат тысячи человеческих клетках (желтый). После печати гидрогель удаляется, и сосуды могут быть объединены с другими тканями, чтобы в конечном итоге построить сложные органы.

Примечание автора: Кроме уже названных проблем, видится ещё одна не упомянутая – нервные клетки. Конечно некоторые органы могут обходиться и без них (пересаживают же органы напрямую), но в глобальной перспективе биопечати это тоже должно будет стать проблемой.

Программное обеспечение

Чего еще не хватает биопечати, и что обеспечит следующий прорыв в технологии – это появление сложного программного обеспечения для биологических расчетов. Для не биологических объектов 3D сканером можно создать файл САПР за считанные минуты, и тут же послать его на 3D принтер, а для биологических объектов не существует никаких эквивалентов.

«МРТ не показывает расположение клеток», – говорит Липсон: «Мы просто в полном неведении при составлении чертежей, и это только половина проблемы. Так же в графических программах нет никаких инструментов для рисования клеток. И с этим действительно не могут помочь справиться большинство компьютерных программ. Таким образом, мы не можем сделать программную модель органов, это выходит сложнее, чем создать модель реактивного самолета».

Почувствовав перспективность данного направления, компания Autodesk объединилась с Organovo для развития САПР программ, которые смогут применяться при биопечати. «Данные исследования не всегда имеют достаточную экономическую обоснованность, но это может измениться в ближайшие годы», – говорит Карлос Олгуин, руководитель группы по бионанопрограммированию из Autodesk: «И если это случится, мы хотим быть готовы не только к исследованиям, но и к выпуску готового продукта».

В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную облачную САПР оболочку, что позволит ускорить процесс проектирования. Ее целью является интеграция математики, описывающей самосборку и другие клеточные процессы при биопечати, и программного обеспечения. В апреле команда Олгуина объявила релиз вэб-ориентированного проекта, позволяющего проводить молекулярные моделирования на наноуровне и симуляции клеточной биологии. В конечном итоге, исследователи хотят уметь проектировать цифровую модель и визуализировать её за считанные секунды, в том числе показывая изменения и развитие в готовую живую ткань.

«В ближайшее время мы планируем значительно сократить время сборки модели в биопринтере», – сообщает Олгуин: «Но в среднесрочной перспективе предстоит очень кропотливая работа по созданию самых основных элементов, и мы надеемся, что затем сможем сосредоточиться на разработке более интересных приложений».

Перспективы

Первым биологическим продуктом Organovo будут ткани печени для проведения медицинских тестирований. Дело в том, что токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной прекращения клинических испытаний лекарств, и даже отзыва с рынка уже одобренных продуктов. У фармацевтов до сих пор нет надежных способов оценить влияние препаратов на печень человека, и в этом не помогают даже исследования на животных.

В следующем году Organovo начнет продажи созданной ткани печени для проведения подобных анализов. Потенциал рынка огромен, ведь все лекарства применяются внутрь, и токсины должны доходить до печени. Если анализы проводимые с биопечатаемой печенью обеспечат фармацевтических исследователей лучшими и более быстрыми данными, это значительно ускорит процесс проверки лекарств, и уменьшит потребность в обширных исследованиях на животных.

Ибрагим Озболат хочет научиться печатать ткани поджелудочной железы уже для лечения, а не для опытов. Такая ткань будет состоять только из эндокринных клеток способных продуцировать инсулин, и после имплантации в человека, они смогут регулировать уровень сахара в крови и излечивать диабет 1 типа.

Биопринтеры также могут оказаться бесценными для медицинских учебных заведений. Студенты сейчас тренируются на трупах, но когда дело доходит до реальной процедуры – им не хватает навыков. Так биопринтеры смогли бы делать органы сразу с опухолями или другими дефектами, для тренировки хирургов до реальной практики в операционной.

Печать трансплантируемых органов, которые функционируют должным образом, станет глобальным изменением, которое ощутимо изменит жизнь. В настоящее время списки ожидания доноров очень велики, и они растут ежедневно, при этом шансы найти подходящий орган достаточно низки. Биопечать органов выращенных из клеток собственного тела пациента сможет помочь врачам в большом количестве случаев, так как такие органы будут идеальны по совместимости.

Возможно, говорят ученые, биопринтеры смогли бы даже позволить создавать бионические части тела, которых нет у человека. С этой целью исследователи из Принстона экспериментировали с электроникой в интеграции с биопринтерами. Ранее они уже создали матрицу из гидрогеля и бычьих клеток в форме уха, с включением наночастиц серебра, образующих спиральную антену. Такая система может позволить подобрать радиочастоты за пределами нормального человеческого слуха. Аналогичным образом, биоинженеры когда-нибудь смогут включать датчики и в другие ткани и части тела.

Биопринтеры уже демонстрируют ученым замечательное сочетание биологии и инженерии. Машина стала ещё одним инструментом, позволяющим работать с клетками более точно. Но человечество пока так и не знает почему клетки делают именно то – что делают. Это знает только сама природа, по крайней мере в настоящее время.

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

Конвертер