Биопринтинг: применение технологий 3d-печати в медицине

Мнение футурологов

В начале статьи было упомянуто о футурологах, людях, способных на основании экстраполяции нынешних достижений предсказать, что нас ждёт в будущем. Если отталкиваться от тех достижений, которые уже достигнуты в отрасли биопринтинга, то можно спрогнозировать немало интересных событий.

Регенеративная медицина неизменно внесёт свои изменения в морально-этические устои человечества. Конечно, воссоздание отдельного органа не будет рассматриваться под призмой нравственности, как это было с идеей выращивания анацефалов – людей без головного мозга.

3Д-биопринтинг поможет решить вопрос замены простейших органов – воссоздания выпавшего зуба, лёгкого, щитовидной железы. На следующем этапе медики перейдут к печати и вживлению более сложных частей человеческого организма.

Предполагается, что заменой больного или изношенного органа на новый дело не ограничится. Экстремалы захотят вживить себе атавистические органы – глаз посреди лба, ещё две руки или ноги, а может даже хвост и крылья.

Воссоздание новых органов с помощью 3Д-принтера приблизит человечество к решению проблемы бессмертия. Теоретически, проделывая своевременную замену одних человеческих органов на биоимпланты, отдельно взятая особь вполне сможет жить несколько сотен лет молодым и здоровым.

Работа доктора будет напоминать работу механика: лечение болезни будет равносильно нахождению «поломанного» органа и замены его на биоимплант.

Проблематика бесконечной жизни будет рассматриваться со стороны психологов. Готово ли человечество к бессмертию? Способны ли люди, у которых ранее граничный возраст составлял 60-80 лет, прожить вместо этого 120-160 лет, а то и несколько столетий?

На каком-то этапе, как после пластической хирургии, может обнаружиться полное отсутствие в теле человека «родных» органов. Следует ли в этом случае продолжать его считать реальным?

Контекст

По данным аналитиков из Allied Analytics, в 2018 году мировой рынок 3D-печати в медицине оценивался в $973 млн. По их прогнозам, к 2026-му рынок вырастет до $3,6 млрд, а среднегодовой темп роста составит 18,2%.
На сегодняшний день печатают не только имплантаты, но и ортопедические стельки, корсеты, слуховые аппараты, прототипы корпусов медицинских приборов.
Универсальных моделей для всех пациентов не существует, поэтому ученые и врачи стремятся с помощью технологий создавать индивидуальные образцы, которые подойдут конкретному пациенту и снизят риск осложнений.
Пока биопечать полностью функциональных сложных внутренних органов невозможна. На сегодняшний день печать тканей, сосудов и органов — основной приоритет развития отрасли.

Успешные опыты

Мировая практика показывает, что, помимо мочевого пузыря, биоинженеры вполне способны реплицировать и другие внутренние органы человека.

1. 2014 год – биопротез костного фрагмента, команда учёных из Университета Суонси. Уникальность ноу-хау состоит в непосредственном воспроизведении биопротеза в операционной. За 2 часа воссоздаётся полный прототип костного фрагмента и вживляется реципиенту. После хирургического вмешательства должно пройти ещё 3-4 месяца, чтобы биочернила были заменены полностью клетками костной ткани.

2. 2015 год – биопротезирование хрящей, в частности – носовых, учёные из Цюриха. Полноразмерный имплантат фрагмента носа воссоздаётся буквально за 20 минут. Необходимо ещё 3 месяца, чтобы биополимер естественным образом заместился реальными клетками. По истечению данного срока внедрённый орган становится неотличим от родного.

3. 2016 год – щитовидная железа, российские учёные из технопарка «Сколково». Биопринтинг осуществлялся на 3Д-принтере российского производства. По отдельным характеристикам устройство оказалось более технологичным, нежели его иностранные аналоги. Щитовидная железа была взята в производство как наименее отторгаемый орган в организме человека. Примечательно, что первая пересадка органа в 1883 году была как раз заменой больной щитовидки на здоровую.

4. 2019 год – экспериментальное человеческое сердце размером с вишню, учёные Израиля. Пока это первый опыт, когда орган содержит клетки различных типов тканей. Сложность такого биоимпланта состоит в однородности начального материала – стволовых клетках – и разном конечном результате. Ведь необходимо чётко указать, на каком участке донорского органа стволовые клетки должны быть преобразованы в эндотелий, а на каком – в эпителий.

Биоинженерные лаборатории по всему миру не прекращают попыток воссоздать различные внутренние органы человеческого организма. Ряд экспериментов, что остаются за кадром, имеют отрицательный результат. Среди положительных попыток следует назвать следующие:

— Разработка исследователей из Медицинской школы Уэйк Форест по воссозданию фрагментов человеческой кожи. Предположительно, 3Д-биопринтинг будет проводится непосредственно на обожжённом участке поверхности тела. На сегодняшний день эксперимент даёт обнадёживающие показатели, но конечный результат ещё не достигнут.

— Разработка биомехаников из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса направлена на воссоздание фрагментов кровеносной системы. Особая сложность изысканий состоит в создании мельчайшей сети капилляров. Помимо уникального размера, сосуды должны оставаться жизнеспособными и обладать способностью к регенерации.

Самым востребованным органом к пересадке продолжает оставаться донорская почка. Ввиду уникальных особенностей строения данного органа, его воссоздание предполагают реализовать к 2030 году.

Перспективы биопринтинга

Самый главный вопрос, который волнует современных биоинженеров – каковы перспективы биопринтинга, как он будет развиваться дальше? Владимир Миронов дает следующий прогноз: «Через несколько месяцев мы напечатаем трехмерную щитовидную железу. Но не человеческую, а мышиную или крысиную. Чтобы создать человеческий орган и провести клинические испытания, нужно пройти сложную систему сертификации. В США стволовым клеткам посвящено 20 томов научных трудов, и это только протоколы испытаний. Огромный объем работы – вот что самое сложное. Никому не хочется отвечать за риск, безопасность – превыше всего».

Если внедрение продуктов биопринтинга растянется на долгие годы из-за несовершенства законодательства и отсутствия соответствующих стандартов, то возникает закономерный вопрос: «Когда пациенты смогут использовать продукты 3D-биопечати?». По оптимистическим прогнозам клинические испытания, которые выведут разработку на уровень практики, начнутся в течение 10-15 ближайших лет. Срок довольно большой, но приемлемый с точки зрения совершенствования технологии, которой предстоит, по сути, поспорить с природой, и раз и навсегда решить проблему дефицита органов для трансплантации.

25 Ноября 2014

Прецедент

3D-принтеры, которые печатают имплантаты из материалов, содержащих живые клетки, называются биопринтерами. В перспективе они позволят вместо многомесячного ожидания донорских органов получать необходимые ткани и делать из них протезы всего за несколько часов.

В 2019 году сотрудники Университета Тель-Авива разработали технологию, которая позволяет из взятых у пациента тканей изготавливать биочернила, пригодные для печати, а их, в свою очередь, использовать при печати сердечной ткани, пригодной в качестве кардиопластыря при лечении сердца.
В 2015 году ученые из Цюриха разработали технологию, позволяющую печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут из хрящевых клеток, например из колена, пальца, уха или других частей тела. Поскольку имплантат выращивают из клеток организма, риск отторжения гораздо ниже, чем у имплантата из «неродных» материалов.
В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) экспериментируют с биопринтерами для печати кровеносных сосудов.

Что такое файл cookie и другие похожие технологии

Файл cookie представляет собой небольшой текстовый файл, сохраняемый на вашем компьютере, смартфоне или другом устройстве, которое Вы используете для посещения интернет-сайтов.

Некоторые посещаемые Вами страницы могут также собирать информацию, используя пиксельные тэги и веб-маяки, представляющие собой электронные изображения, называемые одно-пиксельными (1×1) или пустыми GIF-изображениями.

Файлы cookie могут размещаться на вашем устройстве нами («собственные» файлы cookie) или другими операторами (файлы cookie «третьих лиц»).

Мы используем два вида файлов cookie на сайте: «cookie сессии» и «постоянные cookie». Cookie сессии — это временные файлы, которые остаются на устройстве пока вы не покинете сайт. Постоянные cookie остаются на устройстве в течение длительного времени или пока вы вручную не удалите их (как долго cookie останется на вашем устройстве будет зависеть от продолжительности или «времени жизни» конкретного файла и настройки вашего браузера).

Сущность биопечати

Технология трехмерной печати за последние годы была отработана и поставлена на коммерческие рельсы. Медицинский вариант 3D-печати – биопечать органов – пока развивается относительно медленно, но это временное явление. В основу технологии положена идея формирования тканей и органов из особых клеточных кластеров (сфероидов), которые последовательно распыляются 3D-принтером на биобумагу (гидрогель). Клетки удерживаются внутри таких кластеров благодаря клеточной адгезии. Формирование органа происходит в 3D-принтере, который выстреливает сфероидами по гидрогелю словно чернилами.

«Каждый из нас на этапе эмбрионального развития имел две аорты, которые впоследствии превратились в одну. Следовательно, слияние является нормальным процессом развития, – поясняет Владимир Миронов. – Наше устройство использует способность эмбрионов к слиянию тканей. Это не магия, это эволюция в микромасштабе».

Первый отечественный биопринтер FABION

Сначала биоинженеры создают объемную цифровую модель будущего органа с множеством тончайших срезов, после чего готовая модель передается на принтер, который помещает сфероиды в гидрогель в соответствии с заданным программой алгоритмом.

Тканевые сфероиды, расположенные в вертикальной и горизонтальной плоскости, под действием сил поверхностного натяжения, миграции и перегруппировки сливаются, словно капли масла в воде. В результате формируется трехмерная основа.

Биочернила для медицинской печати культивируются для каждого органа отдельно, из стволовых клеток пациента. Три группы российских ученых из Москвы, Санкт-Петербурга и Новосибирска уже научились выделять из подкожного жира индуцированные полипотентные стволовые клетки.

Технология, разработанная в России, выгодно отличается от зарубежных аналогов тем, что обходится без донорских органов, клеточного материала и каркасов. Самое сложное на современном этапе развития биопринтинга – обеспечить стерильные условия процесса. Биопринтер помещают в стерильный бокс, в котором создается оптимальная среда для работы с живыми клетками. Напечатанные органы могут несколько дней сохранять свою жизнеспособность в перфузионном биореакторе, в специальном растворе.

Cookie файлы бывают различных типов:

Необходимые. Эти файлы нужны для обеспечения правильной работы сайта, использования его функций. Отключение использования таких файлов приведет к падению производительности сайта, невозможности использовать его компоненты и сервисы.

Файлы cookie, относящиеся к производительности, эффективности и аналитике. Данные файлы позволяют анализировать взаимодействие посетителей с сайтом, оптимизировать содержание сайта, измерять эффективность рекламных кампаний, предоставляя информацию о количестве посетителей сайта, времени его использования, возникающих ошибках.

Рекламные файлы cookie определяют, какие сайты Вы посещали и как часто, какие ссылки Вы выбирали, что позволяет показывать Вам рекламные объявления, которые заинтересуют именно Вас.

Электронная почта. Мы также можем использовать технологии, позволяющие отслеживать, открывали ли вы, прочитали или переадресовывали определенные сообщения, отправленные нами на вашу электронную почту. Это необходимо, чтобы сделать наши средства коммуникации более полезными для пользователя. Если вы не желаете, чтобы мы получали сведения об этом, вам нужно аннулировать подписку посредством ссылки «Отписаться» («Unsubscribe»), находящейся внизу соответствующей электронной рассылки.

Сторонние веб-сервисы. Иногда на данном сайте мы используем сторонние веб-сервисы. Например, для отображения тех или иных элементов (изображения, видео, презентации и т. п.), организации опросов и т. п. Как и в случае с кнопками доступа к социальным сетям, мы не можем препятствовать сбору этими сайтами или внешними доменами информации о том, как вы используете содержание сайта.

Возможности биопечати

С помощью 3D-биопринтеров ученым уже удалось напечатать фрагменты кожи, хрящи и сосуды, и испытать их на животных. Для создания более сложных органов необходимо формирование сосудистой сетки (васкуляризация). Ученые планируют встроить сосудистую сетку в орган прямо на этапе биопечати с использованием все тех же тканевых сфероидов. Свойства сфероидов зависят от клеток, из которых они созданы. Если это клетки эпителия, то сфероиды становятся однородными, а если эндотолиальные клетки, то сфероиды становятся люминизированными, с просветом для будущей кровеносной системы. Таким образом, трехмерная печать позволяет использовать различные тканевые сфероиды и собирать из них сложные органические структуры.

«Я не могу сказать, когда мы напечатаем почку. Теоретически на 3D-принтере можно напечатать любой орган. Наверное, в не столь отдаленном будущем это будет именно так, – признается Миронов. – Но если мы создадим что-нибудь попроще, чем почка, то уровень нашей самооценки станет довольно высоким, и мы сможем напечатать почку значительно раньше, чем предполагаем сегодня».

Вот еще одно применение биопечати. С возрастом волосы на голове редеют. С помощью 3D-принтера можно напечатать недостающие луковицы. Сначала необходима биофабрикация луковиц, затем печать волос прямо на голове пациента. В косметологии с помощью биопечати можно устранять морщины, используя аутологичные клетки. 3D-биопринтинг найдет свое применение и в стоматологии, здесь он позволит печатать трехмерную костную ткань из васкуляризированных тканевых сфероидов.

Миронов мечтает запустить первый биопринтер в космос. Но если говорить о более реальных целях и задачах, то сегодня сотрудники лаборатории заняты созданием ручного 3D-принтера типа «биопен», который станет надежным помощником для хирурга. Также планируется выпуск бесклеточной матрицы для «заплаток» на коже, в глазах, на зубах и других органах и тканях человека. «Это все та же клеточная технология с использованием сфероидов, — рассказывает Миронов. – Если убить все клетки – получится бесклеточная матрица, которую гораздо проще вывести на рынок. К сожалению, в России нет законов, которые бы регулировали использование стволовых клеток. Мы же хотим действовать открыто, не нарушая закона, и производить продукт со сроком хранения до двух лет».

Дистанция от зарождения идеи до получения патента обычно составляет 15-20 лет, а вот стоимость любого продукта высоких технологий со временем снижается, порой в тысячи раз. По некоторым прогнозам, 3D-биопринтеры будут постепенно дешеветь. Современные принтеры для трехмерной печати можно купить за 1000-2000 долл. США, завтра то же самое может произойти с биопринтерами, цена которых сегодня колеблется в пределах от 150000-200000 долл. США до миллиона. В мире уже продано десять коммерческих биопринтеров.

3D-биопринтер NovoGen MMX, разработанный Organovo

«Российский биопринтер по ряду функций и показателей лучше своего прямого конкурента – американского биопринтера Organovo. Наша задача – создать самый лучший в мире принтер для биопечати и удерживать лидерство в данной сфере: первыми получить патент (мы уже подали заявку), опубликовать статью в Science, а потом приступить к тестированию напечатанной щитовидной железы. Да, дамы уже готовы с помощью своего 3D-биопринтера напечатать функционирующую щитовидную железу, это произойдет в марте будущего года, – заявляет Миронов. – Щитовидка – это самый простой орган, поэтому мы решили начать именно с него. Между прочим, щитовидная железа стала первым органом, который был пересажен человеку. Это случилось в 1883 году».

Технология 3D-биопринтинга

Основное отличие 3Д-биопринтинга от обычной технологии объёмной печати состоит в одновременной подаче нескольких субстанций в одну точку печати. При чём это не однородные материалы, как например с цветной печатью RGB, а разнородные, вступающие в определённую реакцию при смешивании. Традиционно используются для воссоздания органов:

Взятые из органа реципиента клетки и выращенные в искусственных условиях.
Органическое клеящее вещество, служащее в качестве каркаса для моделирования будущего органа.
Стволовые клетки реципиента, способные обращаться в любые другие типы клеток.

Параллельно с созданием раствора, необходимого для воспроизведения заменяемого органа, строится его 3Д-модель. Оптимально, когда для этих целей используются данные МРТ. Ведь таким образом можно точно определить, какое положение и какую форму приобретает железа или тот же мочевой пузырь непосредственно в организме, чтобы не создавать конфликта с прочими органами.

На следующем этапе создаётся путём биопечати каркас будущего органа. Пока это всего лишь сфероидная модель, очень хрупкая и способная легко разрушиться вне лабораторных условий. Кстати, методов биопечати существует несколько и на каждый из них выдан свой патент.

Далее запускается процесс непосредственного формирования будущего органа. Выращенные идентичные клетки дают команду стволовым клеткам превратиться в подобные. При этом органический клей по сути выполняет роль питательной среды. Поглощая последнюю, стволовые клетки преобразуются в необходимый тип клеток и заменяют собой основу.

Экскурс в историю

Зарождению 3Д-биопринтинга поспособствовали два необычных опыта естествознателей в начале прошлого века. Первый, проведённый немецким профессором анатомии Г. Борном, состоял в рассечении головастиков. Второй был осуществлён американским морским биологом Петером фон Вильсоном над морскими губками. И в том, и в другом случае расчленённые части животных по истечению некоторого времени срослись. Более того, сами организмы продолжили функционировать должным образом.

Казалось бы, что удивительного в данных экспериментах, и какое отношение они имеют к цифровым технологиям? В действительности именно данные исследования сподвигнули биоинженеров к проведению дальнейших изысканий в данной области – организации опытов по сращиванию отдельных частей человеческого тела.

Вторым прорывом стал эксперимент биоинженера Томаса Боланда в 2000 году. Тогда, с помощью обычных струйных 2D-принтеров Lexmark и HP, учёный попробовал воссоздать структуру ДНК. Для этих целей он в печатное устройство заправил не чернила, а… человеческие клетки. Опыт на удивление получился успешным. В первую очередь удача посетила исследователя потому, что размер человеческих клеток был сопоставим с размерами разбрызгиваемых капель чернил – тоже 10 микрон. В то же время, выживаемость биоматериала составила рекордные 90%. К слову, нынешние 3Д-биопринтеры демонстрируют выживаемость человеческих клеток в 95%, что также расценивается как высокий показатель.

Подводя итоги, имеем:

возникновение идеи – более века назад;
первые опыты по реализации – более 20 лет назад;
разработка устройств, биочернил, технологии печати и имплантации – по сей день.

Реальные проблемы на пути 3D-биопринтинга

Футурологи смотрят на любые технологии с позитивной точки зрения. Если какие-то разработки появляются в нашей жизни, то предполагается, что они будут идти на благо человечеству. Но не стоит забывать и о сопутствующих 3д-биопринтинг проблемах:

Законодательство. Нынешние опыты по воссозданию человеческих органов проводятся в качестве эксперимента в лабораторных условиях. При участии в данных исследованиях больной берёт все риски на себя и, как правило, уже не имеет иного выхода, кроме экспериментального лечения. Это означает, что все данные операции по сути нелегальны, ибо не существует нормативных актов, узаконивающих их. Конечно, нет и прямого запрета на печать человеческих органов, как, например, на оружие, как это сделано в Великобритании.
Биочернила. Прочитав данную статью читателю может показаться излишне доступной описанная технология. Это значит, что любой, кто обладает достаточной суммой денег, сможет купить 3Д-биопринтер и в домашних условиях предположительно изготовить себе имплантат больного органа. Подобная доступность приведёт лишь к подпольным операциям, отторжению распечатанного органа, серьёзным проблемам со здоровьем, вплоть до дегенеративных изменений прочих человеческих органов на клеточном уровне.
Биопринтеры. С каждым годом число устройств, способных производить биоимпланты растёт. Если в 2014 году таковых насчитывалось 14 версий, то в наши дни их число превышает восемь десятков. Конкуренция между производителями приводит к тому, что после выхода на рынок с 3Д-принтером компания считает для себя обязательным выпустить 3Д-биопринтер. При этом технология воспроизведения, используемые биочернила и прочие составляющие существенно разнятся друг от друга.
Программное обеспечение. Каждый 3Д-биопринтер предполагает разработку собственного программного обеспечения. Хотя со временем программы будут усовершенствоваться, приводиться к единому стандарту, упрощая тем самым работу операторов, не следует исключать возможность ошибок. При чём ошибки могут быть как технологического характера, например, из-за версий устройств, так и ввиду человеческого фактора или элементарных сбоев.
Повсеместная доступность. Наверное, это самая большая проблема, которая маячит перед взором законодателей медицины. Свободная продажа печатных 3Д-устройств, биочернил, проведение курсов по осваиванию программного обеспечения приведут к бесконтрольному выпечатыванию донорских органов. Какие из них будут соответствовать ГОСТу? Будет ли хранение подобных имплантатов как-то ограничиваться? К каким последствиям приведут пиратские копии фрагментов человеческого организма и последует ли за это уголовное наказание – пока ещё трудно предсказать.16 августа 2021Следующая >>

Возможно вам будет интересно:

Записка в Церкви о упокоении – как писать и когда «Записка об упокоении» или «записка за упокой» означает высказанную в письменной форме просьбу священнику о произнесении молитвы за усопшего. Если придерживаться церковного канона, то правильнее говорить «записка о упокоении». Читать подробнее >>>
Как часто нужно посещать могилы родственников? Как правило, родственники довольно часто посещают могилу покойного в течение некоторого времени после погребения. Позже такие визиты могут становиться более редкими. Читать подробнее >>>

Эволюция 3Д-биопринтеров

Теория воссоздания органов человеческого тела с помощью 3Д-принтеров способна будет реализоваться на практике лишь при наличии соответствующих высокотехнологических устройств. Первым серийным принтером, который мог бы претендовать на звание подобного, было приспособление, разработанное в 2009 году американской компанией Organovo при поддержке австралийского партнёра Invetech.

Ещё раз уточним – это был первый серийный 3Д-биопринтер. Попытки же печатать человеческие органы предпринимались и на обычных 3Д-устройствах. В частности, группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine сконструировала и напечатала 7 мочевых пузырей для пересадки 7 пациентам из экспериментальной группы. И хотя результаты подобных операций не были обнародованы публично, стало известно, что как минимум одна из трансплантаций закончилась благополучно.

Почему это важно

3DBio Therapeutics — одна из немногих компаний, которая во время 3D-печати протеза использовала клетки самого пациента. Пока такие случаи уникальны.

Технология создания имплантата получила название AuriNovo, над ней работали в течение 7 лет. Сейчас она проходит клинические исследования. В испытании примут участие 11 человек.
В компании заявили, что американские ведомства уже проверили технологию.
Протезы AuriNovo планируют делать для людей с микротией III–IV степени. Медики считают, что в будущем технологию усовершенствуют и ее можно будет применять для изготовления других органов, в том числе внутренних.

Ранее аналогичный эксперимент провели китайские ученые. Пять детей из КНР с микротией получили протезы, которые сделали из их же клеток на 3D-принтере. В 2018 году ученые отчитались, что у девочки, которой пришили имплантат в 2015 году, он прижился. Остальным четверым протез поставили позже, и «результаты тоже хорошие».

Что произошло

Хирурги из американской биотехнологической компании 3DBio Therapeutics напечатали на 3D-принтере имплантат, образованный из клеток пациентки, и успешно пришили его ей.

Протез предназначен для 20-летней девушки с микротией — врожденным недоразвитием ушной раковины.
Из неполного уха пациентки взяли частицу хряща весом в полграмма и извлекли из него хондроциты.
Из них медики вырастили необходимое количество новых хрящевых клеток (несколько миллиардов) и смешали их с коллагеном для 3D-печати.
Модель ушной раковины сделали, ориентируясь на форму второго, здорового уха девушки. Печать имплантата заняла 10 минут. Затем ухо успешно пришили пациентке.
Врачи предполагают, что со временем, по мере прорастания нервов в имплантат, он приобретет чувствительность.