Они искусственным способом создают живую ткань, накладывая живые клетки слой за слоем. В настоящее время все биопринтеры являются экспериментальными, тем не менее, в будущем они смогут произвести революцию в медицине.
Биопринтеры могут иметь разные конфигурации, но принцип работы один: они выводят клетки из печатающей головки, которая движется влево-вправо, вперед-назад, вверх- вниз, чтобы поместить клетки куда требуется. Таким образом, за несколько часов можно получить органический объект, который состоит из огромного количества очень тонких слоев.
В дополнение к выводу клеток, большинство биопринтеров также выводят растворимый гель для поддержки и защиты клеток во время печати.
Пионеры биопечати
Несколько экспериментальных биопринтеров уже было создано. Например, в 2002 году профессор Макото Накамура увидел, что капли чернил в стандартном струйном принтере имеют примерно такой же размер, как клетки человека. После этого он адаптировал технологии и в 2008 году создал рабочую модель биопринтера, которая осуществляет печать биотрубочек, похожих на кровеносные сосуды. Профессор Накамура надеется, что со временем можно будет буквально распечатывать внутренние органы, готовые к трансплантации.
Другим пионером в области биопечати является компания Organovo, которая была создана исследовательской группой под руководством профессора Габора Форгача (Gabor Forgacs) из университета Миссури. С марта 2008 года Organovo задалась целью создать технологии биопечати функционирующих кровеносных сосудов и сердечной ткани с помощью клеток, полученных из тканей цыпленка. Эта работа опирается на прототип биопринтера с тремя печатающими головками. Первые две головки выводят кардио- и эндотелиальные клетки, в то время как третья выделяет коллагеновую основу – так называемую “био-бумагу” – для поддержки клеток во время печати.
С 2008 года Organovo работала с компанией Invetech для создания коммерческих биопринтеров под названием NovoGen MMX. В этот биопринтер загружаются биочернильные сфероиды, наполненные десятками тысяч клеток. При печати NovoGen создает первый слой на био-бумаге, изготовленной из коллагена, желатина или других гидрогелей. Затем в него вводятся (впрыскиваются) биочернильные сфероиды. Слой добавляется за слоем до создания конечного объекта.
Удивительно, но природа берет свое, и биочернильные сфероиды медленно сливаются. После этого биобумага растворяется или удаляется другим способом, и в результате получается ткань или орган, напечатанный с помощью биопринтера.
Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов. После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства.
Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs), он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые “знают”, как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.
В декабре 2010 года компания Organovo создала при помощи биопринтера первые кровеносные сосуды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также успешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам, а эксперименты по пересадке созданных таким методом тканей человеку запланированы на 2015 год. Тем не менее, ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит ученым тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.
Со временем, как только испытания на человеке будут завершены, Organovo надеется, что биопринтеры будут использовать для получения трансплантатов кровеносных сосудов и применяться в операциях по шунтированию сердца. Намерения компании включают масштабную разработку технологий создания тканей и органов “на заказ”. Для реализации этой задачи исследователи в настоящее время работают над созданием крошечных механических устройств, которые могут осуществлять искусственную тренировку и, следовательно, укреплять мышечные ткани, созданные на биопринтере, до имплантирования в тело пациента.
Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.
Регенеративная основа и кости
Еще одна группа исследований, преследующая долговременную цель получения человеческих органов “на заказ”, создала биоплоттер Envisiontec Bioplotter. Как и NovoGen MMX компании Organovo, этот биоплоттер выводит биочернильные тканевые сфероиды и вспомогательные материалы, включающие поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста. Помимо этого Envisontec также может печатать более широкий спектр биоматериалов – биоразлагаемые полимеры и биокерамику, которая может быть использована для поддержки и придания формы искусственным органам. Эти материалы, созданные на биопринтере, могут быть использованы даже в качестве заменителя костей.
Команда под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab) работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. В настоящее время экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путем стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.
При проведении другого эксперимента команда Мао имплантировала решетчатую структуру, созданную на биопринтере, в район бедренной кости нескольким кроликам. И снова эта конструкция была насыщена факторами роста. Как сообщил медицинский журнал The Lancet, в течение четырех месяцев у всех кроликов образовались новые, полностью функциональные суставы вокруг этой решетки. Некоторые кролики даже начали передвигаться и переносить вес на свои новые суставы уже через несколько недель после операции. В следующем десятилетии люди, нуждающиеся в эндопротезировании, уже смогут получить новые тазобедренные суставы и другие кости, сзданные с помощью технологии биопечати. Команда из Университета штата Вашингтон недавно сообщила о результатах четырех лет работы с использованием 3D-принтера для создания костеподобного материала, который в будущем может быть использован для восстановления поврежденных человеческих костей.
Биопечать In Situ
Вышеупомянутый научный прогресс со временем позволит получать в лабораториях органы с помощью биопринтеров из собственных клеток пациента, что может привести к революции в медицине. Тем не менее, другие исследователи пытались пойти дальше и разработать методы, позволяющие распечатать новую ткань или орган непосредственно на теле. В следующем десятилетии врачи получат возможность просканировать раны и нанести слои клеток для их быстрого заживления.
В настоящее время команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата (Anthony Alata) в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесенных мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две – три недели (примерно пять-шесть недель – в контрольной группе).
Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях. В настоящее время работа все еще находится в фазе доклинических испытаний. Алата развивает технологии, экспериментируя на свиньях. Тем не менее, испытания на людях, пострадавших от ожогов, могут быть осуществлены в течение ближайших пяти лет.
Потенциал для использования биопринтеров для восстановления поврежденных тканей и органов нашего тела in situ просто колоссальный. Возможно уже в следующем десятилетии станет возможным создание роботизированной хирургической руки с наконечником в виде головки биопринтера, которая будет проникать в тело и осуществлять восстановление повреждений на клеточном уровне. Пациентам по-прежнему нужно будет отдыхать и восстанавливать силы в течение нескольких дней, пока созданный биопринтером материал полностью станет зрелой живой тканью. Тем не менее, большинство пациентов в перспективе смогут реабилитироваться после очень серьезной операции менее, чем за неделю.
Использование в косметологии
Также как и восстановление внутренних органов биопринтером через небольшой надрез на теле пациента, применение этой технологии имеет большие перспективы и в области косметологии. Например, моут быть созданы биопринтеры для печати человеческих лиц. Они будут испарять существующие ткани и одновременно заменять их новыми клетками, создавая новое лицо по желанию самого пациента.
Даже упоминание о том, что клетки вашего лица медленно выжигают лазером и печатают на заказ наводит на мысли об ужасной пытке, которую никто никогда не захочет перенести. Однако, многие люди сегодня идут под нож, чтобы достичь гораздо меньшего косметического эффекта. Когда технология станет доступной для создания на биопринтере новых лиц, не говоря уже о принтерах, которые смогут напечатать новые мышцы без затрат времени на их тренировку, очень вероятно, что она будет востребована на рынке косметических услуг.
Материал подготовлен редакцией сайта Техножизнь на основе информации, полученной из открытых источников. Источники: www.organovo.com, www.envisiontec.de. Любое использование интернет-изданиями данного материала возможно только с указанием активной ссылки на сайт Техножизнь
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.
Печать органов на 3D принтере или биопринтинг — перспективная технология выращивания здоровых и живых органов взамен поврежденных или отсутствующих. Кроме 3D-принтера, для биопринтинга нужна модель органа, клеточный материал пациента и среда, где орган сохранится до имплантации.
Напечатанные органы лучше протезов и трансплантированных частей тела. Их возможности идентичны родным и они не отторгаются иммунной системой, если созданы из ДНК пациента. Биопринтинг сократит время на получение нужного органа и сохранит жизнь больным, которым нужна незамедлительная пересадка.
Печать органов на 3Д принтере уже успешно опробована на животных. Ученые Северо-Западного Университета внедрили стерилизованным мышам искусственные яичники и они родили здоровых мышат. В китайской компании Sichuan Revotek макакам-резусам имплантировали кровеносные сосуды, выращенные из материала этих же макак.
Из человеческих частей тела, пока печатаются только внутренние ткани и кожа. Создаются уменьшенные, но работающие копии ушей и носов. Первая печать органов человека ожидается к 2030-му году.
Как работает биопринтинг
Исследовательские группы или компании развивают разные концепции биопечати:
- Каркасная . Наращивание живых клеток на неорганическую основу, исчезающую с развитием естестественных связей между клетками. Главная сложность — подобрать материал, который настолько же эластичный или жёсткий, как заменяемый орган. Он должен быстро деградировать, чтобы не мешать укреплению межклеточного матрикса и раствориться, не оставив токсичных соединений. Для каркасной печати подходит гидрогель, титан, желатин, синтетические и биополимеры.
- Бескаркасная. Нанесение готовыми клетками на гидрогелевую основу. Пока клетки в принтере, они охлаждены и находятся в тонких гидрогелевых сфероидах. При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас — клеточный матрикс. Эта печать менее распространена, чем каркасная — появилась позже и сложнее воспроизводима.
- Мимикрия. Технология будущего, предполагает создание полных копий органов сразу. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне и проводятся глубокие исследования природы клеток.
Способы 3D печати органов
Струйные. Первые устройства для биопечати были струйными, этим методом печатают и обычные принтеры. Они хранят биологический материал в картриджах, который распыляется на гидрогелевую подложку, как краска на бумагу. Недостатки — неточный выброс капель и закупорка распыляющего сопла с возможной гибелью клеточного материала. Струйная печать органов на принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются. Область применения ограничивается восстановлением костной, хрящевой ткани, мышц и кожи. Достоинства — дешевизна и массовая воспроизводимость.
Микроэкструзионные. Этот способ применяется в неорганической 3D-печати. Для печати используется пневматическая подача материала в подвижную головку-экструдер, которая укладывает клетки. Чем больше головок, тем точнее и быстрее работает принтер. Недостатки — чем плотнее укладываются клетки, тем меньше их выживает. При сопоставимой плотности укладки, от микроэкструзионной печати погибает больше клеток, чем при струйной печати. Достоинства — подходит для 3D печати органов высокой плотности, тонкая настройка подачи материала за счет регулирования давления.
Лазерные. Распространены в промышленности, но применяются в биопечати. Используют лазер для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки. Между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, которая снижает мощность луча. Недостатки — повышенное содержание металла в клетках от испарения отражающего элемента. Цена. Достоинства — контролируемая вплоть до отдельных клеток, укладка биоматериала.
Кто предлагает 3D печать органов
Биопринтинговые компании, которые предлагают 3D-печать органов или продают биопринтеры:
- Organovo — Сан Диего, США. Печатает и продаёт ткань печени « exVive3D» фармацевтическим компаниям. В 2009, Organovo совместно с австрийской Invetech выпустили первый серийный принтер для биопечати — Novogen.
- BioBots — стартап, презентовавший дешевый коммерческий биопринтер на TechCrunch 2013. Сегодня для покупки доступна модель Biobot 1, Biobot 2 пока в разработке, но уже представлен на сайте компании.
- 3D Bioprinting Solutions — Россия , Москва. Сосредоточена на бескаркасной печати, разработала свой 3D-принтер FABION и работает над собственной технологией органопринтинга
- Cyfuse Biomedical — Токио, Япония. Разработали биопринтер Regenovo, который применялся для печати кожи и успешно выращивал 2-мм сосуды.
Сколько стоит 3D-биопринтер
Средняя цена биопринтера — четверть миллиона долларов, но доступны и бюджетные модели ценой до $10 000. Большинство принтеров, доступных для покупки — экструзионного типа и работают с каркасной печатью.
- 3D Bioplotter — $200,000. Envision TEC, Германия.
- Novogen MMX — $250,00. Organovo, США.
- Biobot 1 — $10 000. Biobots, США.
- 3DDiscovery — $200,000. RegenHU & Biofactory, Швейцария.
- BioAssemblyBot — $160 000. Advanced Solutions, Нидерланды.
Поддержка больного аппаратами жизнеобеспечения стоит около $75 тыс. в год. За 10 лет, больной потратит $1 млн. Принтер стоит $200, 000 и примерно столько же — операция. Учитывая, сколько стоит печать органов, операция с применением 3D биопринтинга удешевляется на 50%.
Перспективы биопечати
3D биопечать прошла путь от концепции до работающей и коммерчески успешной технологии. Пока основные клиенты биопринтинговых компаний — крупные фармацевтические корпорации. Они ускоряют тестирование лекарств, сразу испытывая их на распечатанных тканях человека.
Дорогие биопринтеры не появятся в городских клиниках через 5 лет, но некоторые пациенты уже выздоравливают благодаря 3D печати. Челюсть 83-летней женщины из Бельгии поразил остеомиелит. Восстановление стоило дороже и продлилось бы дольше, чем удаление больной челюсти и имплантация распечатанной новой. Команда врачей под руководством профессора Жюля Пукана выполнила операцию и женщина могла говорить сразу после операции. Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.
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.
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:
- Дефицит материала, который можно было бы использовать для производства человеческих органов.
- Сложность и в прорастании клеток вне тела человека: наши органы устроены очень сложно, поэтому наладить работу искусственного органа очень трудно.
- 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:
- Самые простые для печати – плоские структуры из одного вида клеток, например, кожа.
- Вторые по степени сложности – трубчатые структуры, например, кровеносные сосуды.
- На третьем уровне сложности полые органы (мочевой пузырь или желудок).
- 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.
