С технологией 3D-печати и биопринтерами в медицине связано много разработок, кажущихся фантастическими. Быстрое заживление обширных ран, воссоздание сосудов, клапанов, суставных поверхностей и в перспективе – послойная печать целых органов. Что возможно уже сейчас, и какие направления актуальны в медицинской 3D-печати?

Что такое биопечать?

Согласно тезисам Международной конференции 3B’09, биопечатью называется использование автоматизированных процессов при сборке из биологических материалов определённой плоской или объёмной структуры для нужд регенеративной медицины, фармакологических и цитобиологических исследований.

Параллельно в русскоязычной печати прижился и другой термин (калька с английского) – биопринтинг. Процесс действительно напоминает струйную печать, в которой вместо пигментов используются живые клетки. Это может быть монокультура клеток с конечной функцией (например, клетки внутренней оболочки сосудов) или взвесь плюрипотентных стволовых клеток, способных сформировать любую ткань.

3D-биопринтер в лаборатории (фото: Wiired)
3D-биопринтер в лаборатории (фото: Wiired)

Послойная печать тканей и органов создаёт базу для развития трансплантологии. Это направление способно решить множество актуальных медицинских проблем. В первую очередь снимаются вопросы долгого ожидания донорских органов, риск их отторжения и осложнений в связи с подавлением иммунитета.

История вопроса

Идея использовать клеточные культуры вместо чернил и создавать биологические ткани методами модифицированной струйной печати зародилась в конце прошлого века. Одной из первых публикаций о её успешном освоении можно считать статью Владимира Миронова и соавторов, вышедшую в апреле 2003 года в журнале Trends in Biotechnology.

Приставка 3D была использована в ней скорее как указание на перспективы работы, поскольку на тот момент в самом исследовании удалось создать один слой эндотелиальных клеток и полученную структуру нельзя было назвать объёмной. Главным достижением проведённого исследования была демонстрация самой возможности прецизионно размещать живые клетки методами струйной печати с сохранением их жизнеспособности.

На протяжении последующих лет каждая группа исследователей использовала свой вариант биопринтера и различные вариации методики распределения клеток. Первый серийно выпускаемый биопринтер появился в конце 2009 года. Он был изготовлен австралийской компанией Invetech по заказу американской Organovo. Последняя фирма была основана в 2007 году и уже спустя пять лет упоминалась в обзоре MIT среди наиболее инновационных компаний. Взгляните на следующий ролик.

Недавно Organovo заключила контракт с Autodesk. В известных системах автоматизированного проектирования органы будут чертить примерно так же, как детали для автомобилей и роботов.

Проблемы и решения

С этапом проектирования особых вопросов не возникает, однако сам процесс печати при этом имеет важное отличие. “Биологические чернила” состоят из нескольких компонентов, которые надо точно дозировать так, чтобы “печатающие головки” не мешали друг другу. Над развитием многокомпонентной печати активно работает компания AMTecH.

Концепт многокомпонентной системы печати биопечати (изображение: pcmweb.nl)
Концепт многокомпонентной системы печати биопечати (изображение: pcmweb.nl)

Сейчас технология печати живыми клетками сдерживается массой факторов. Наивно полагать, что через год-два начнут печатать органы, а службу по заготовке донорских образцов можно будет упразднить. Помимо специфических сложностей в самой процедуре 3D-печати разными клетками есть целый ряд общих проблем.

Например, каждый орган требует «подключения» к нервной системе и разветвлённой сети кровеносных сосудов. Если проблема реиннервации ещё как-то решается современной трансплантологией, то питающая сеть сосудов нужна уже на этапе формирования органа. Кровеносная система даже на отдельных участках буквально пронизана хитросплетениями. Собственные сосуды есть и во внешних оболочках артерий и вен, а порядок ветвлений внутри органа часто превышает десять уровней.

Модели кровеносной системы почек и печени (изображение: sciencephoto.com, anatomikmodeller.com)
Модели кровеносной системы почек и печени (изображение: sciencephoto.com, anatomikmodeller.com)

Напечатать кровеносный сосуд пока ещё сложно даже на уровне концепции. Это не эластичная трубка заданного диаметра, как представляется большинству людей с техническим образованием. У сосудов каждого типа есть важные особенности, которые необходимо уметь воспроизвести.

Артерии и вены состоят из слоёв разных клеток, которые образуют специфическую пространственную структуру. Она позволяет каждому сосуду взаимодействовать с другими и с организмом в целом. Даже диаметр пор в стенках и локальный тонус регулируются очень непросто.

Сейчас в рамках исследований уровня доказательства концепции удаётся напечатать лишь единичные мелкие сосуды и отдельные фрагменты крупных. Пока не решится проблема полноценной васкуляризации органов в процессе объёмной печати, пытаться создать их бесполезно.

Говоря о более реалистичных задачах, часто упоминают кожу. Иной раз её приводят как пример перспективного направления двумерной биопечати, но кожа кажется простой тканью только до тех пор, пока не попытаешься её воссоздать. Один только эпидермис состоит из пяти слоёв. Их структура разная, как и морфология кератиноцитов. Нельзя просто взять, напечатать и приживить лоскут кожи, хотя вы найдёте множество статей, описывающих “успешные эксперименты”. Почему же так получается?

Эта искусственная кожа в основном состоит из бычьего коллагена (фото: Dan McCoy - Rainbow/Science Faction/Corbis)
Эта искусственная кожа в основном состоит из бычьего коллагена (фото: Dan McCoy – Rainbow/Science Faction/Corbis)

Одна из причин заключается в том, что клеточная культура в биопринтере смешивается с гидрогелем. В последнее время именно с гидрогелями связаны определённые успехи. Им научились придавать множество интересных свойств, в том числе физических, антибактериальных и фунгицидных.

Попадая на раневую поверхность, гидрогель выполняет ту же функцию, что и в клеточной культуре из биопринтера. Он создаёт объёмную пористую микроструктуру для миграции клеток и служит для них опорой. Регенерация происходит эффективнее, а рана внешне заживает гораздо быстрее и аккуратнее.

Сканирующая электронная микроскопия фрагмента гидрогеля (фото: Nanoscale Informal Science Education Network)
Сканирующая электронная микроскопия фрагмента гидрогеля (фото: Nanoscale Informal Science Education Network)

Если в наносимой смеси была ещё и какая-то часть размноженных клеток, возможно, они тоже сыграют некоторую положительную роль. Впрочем, на сегодня более вероятно, что они замедлят регенерацию и чистый гидрогель окажется предпочтительнее. Печать заплаток для раневых поверхностей – дело будущего, но пока ещё не настоящего.

Решать озвученные проблемы планируется в первую очередь за счёт использования свойства самоорганизации живой материи и усиления регенеративных возможностей. Гидрогель и другие соединения сейчас выполняют важную функцию опоры, но в будущем от этих костылей надо постепенно избавляться. Считается, что достаточно воссоздать базовую структуру органа, а более специфические детали в нём сформируются самостоятельно. Основной вопрос заключается в том, как заставить искусственный орган правильно “дозревать” вне организма.

Основные направления

Существующие достижения – это не просто задел на будущее. Помимо перспективной задачи изготовления органов, у биопечати есть и другие применения. Основное направление, уже дающее плоды сегодня, – токсикологические исследования различных веществ и новых фармацевтических препаратов без использования лабораторных животных.

Дело здесь не столько в этике, сколько в целесообразности. Токсикологические эксперименты на лабораторных животных характеризуются относительно низким показателем воспроизводимости результатов. Вдобавок они требуют эмпирических методов пересчёта для учёта отличий в строении человека.

3D-биопринтер Organovo (фото: Wired)
3D-биопринтер Organovo (фото: Wired)

Концептуально сходный исследовательский приём – моделирование патологических процессов с целью изучения ключевых механизмов их развития. На животных это делать непродуктивно, а идентичная ткань будет практически идеальной моделью. Упомянутая Organovo в 2013 году начала сотрудничать в этом направлении с Институтом проблем рака при университете штата Орегон.

В целом биопечать позволяет оценить многие аспекты влияния различных веществ и процессов непосредственно на тех клетках, которые являются основными мишенями для новых препаратов. Наиболее полноценно это можно сделать в рамках концепции «лаборатория-на-чипе», о которой «Компьютерра» уже писала.

Перспективы

Наибольший интерес проявляется к грантам на послойное создание из живых клеток работающей и пригодной для трансплантации почки. На втором месте стоит задача биопечати печени и поджелудочной железы. Эти темы в последние годы относительно щедро финансируют NASA, DARPA, другие крупные агентства и неправительственные организации. Однако сначала всё же попытаются создать простые полые органы, и только затем придёт очередь более сложных – паренхиматозных. В настоящее время исследователи отмечают, что при существующих темпах развития отрасли доли первых органов можно будет напечатать не ранее чем к 2030 году. Берегите себя! Менять запчасти по гарантии нам будут ещё не скоро.