За восемь лет, с 2012 по 2020 год, в России в два раза выросло количество людей, которым требуется донорская почка. В США на данный момент в очереди на пересадку органов находится более 100 тысяч человек. Эти проблемы способна решить биопечать органов. Сегодня на 3D-принтерах можно создавать многослойные сложные структуры, из которых получаются сосуды, кожа, хрящи, а также некоторые органы. «Лента.ру» рассказывает о принципах, будущем и достижениях биопринтинга.
В 2022 году ученые впервые смогли пересадить человеку орган, напечатанный на 3D-принтере. У 20-летней мексиканки Алексы с редким врожденным дефектом — микротией — было деформировано правое ухо. Для создания имплантата врачи использовали клетки и ткани самой пациентки. Американская компания 3DBio Therapeutics удалила 0,5 грамма хряща деформированного уха, а затем 3D-принтер напечатал новое ухо с помощью клеток и так называемых биочернил. Весь процесс занял менее десяти минут. Ранее для подобных операций использовались реберные хрящи, которые вырезались по форме уха.
Отпечатанная форма уха, помещенная под кожу, начнет самостоятельно регенерировать хрящевую ткань. В результате орган будет иметь естественный вид, а вероятность отторжения врачи оценили как крайне низкую, так как по сути он состоит из клеток самого пациента. Аналогичную операцию провели еще десяти добровольцам в возрасте от 6 до 25 лет, теперь за ними планируют наблюдать в течение пяти лет.
занял процесс печати нового уха
Несмотря на то что имплантат уха скорее косметический, нежели функциональный, эта операция стала революцией в сфере биопринтинга. В компании полагают, что в случае успеха смогут аналогичным образом печатать носы, межпозвоночные диски и коленные мениски.
«Переход от уха к межпозвоночному диску — это довольно большой скачок. Но это более реалистично, когда вам уже удалось напечатать ухо», — заявил профессор университета Карнеги Адам Файнберг.
Слой за слоем
Первые попытки реализации 3D-печати человеческих «запчастей» предпринимались еще в 2000 году. Биоинженер Томас Боланд приспособил для этого принтеры от Lexmark и HP, которые создавали фрагменты ДНК. Устройства специально были выбраны с достаточно крупным диаметром сопла — для сохранения клеток при печати. Кроме того, потребовалось модернизировать софт, чтобы иметь возможность контролировать температуру и вязкость чернил. Технологию запатентовали три года спустя, и с тех пор индустрия неуклонно развивалась, представляя все новые и новые варианты печати.
На сегодняшний день выделяют три основных типа биопринтеров. Наиболее распространенный и востребованный — струйный. По своему принципу работы он не сильно отличается от привычных типографских принтеров. Вместо обычных чернил его заправляют биологическим материалом с клетками, а вместо бумаги — электроподдон с гидрогелем. Такие устройства отличаются простотой конструкции и программного обеспечения, относительно низкой стоимостью, высоким качеством и скоростью печати. Метод позволяет варьировать концентрацию клеток, что создает мягкий переход границ, то есть градиент. Струйные биопринтеры совместимы со многими материалами и имеют высокий процент выживания клеток, однако способны печатать только в одной плоскости, постепенно наслаивая объем.
Принцип работы струйного биопринтера
Вместо обычных чернил этот принтер заправляют биоматериалом со стволовыми клетками, а вместо бумаги используется электроподдон с гидрогелем. Метод позволяет варьировать концентрацию клеток, что создает мягкий переход границ, то есть градиент.
Также существуют принтеры на основе микроэкструзии — распределения состава сразу по трем осям, что в итоге создает объемные структуры. Большинство веществ, являющихся основой для биопечати, подходят для применения с этим типом устройств. Принтер способен работать как с гидрогелями, так и с биосовместимыми полимерами и со сфероидами. Основным недостатком экструзионной печати является низкая выживаемость клеток при всех вариантах подачи материала (механическом и пневматическом) по сравнению со струйными принтерами.
Еще один вариант печати — лазер-опосредованная (Laser-assisted bioprinting, LAB). Эту технологию изначально разработали для переноса металла посредством лазер-индуцированного переноса, а впоследствии модернизировали для работы с биоматериалами. Механизм заключается в воздействии точечно направленными лазерными пучками основы на две подложки: с лазер-поглощающим слоем и с биоматериалом из клеток и гидрогеля. Метод практически не нарушает жизнеспособность клеток. Вместе с тем для стабилизации итогового продукта необходима высокая скорость гелеобразования, а в напечатанной структуре могут сохраняться следы металлов.
Типы биопечати
Струйный принтер способен печатать только в одной плоскости и напоминает по принципу работы типографские устройства. Микроэкструзионный аппарат может создавать объемные структуры по трем осям. Лазер-опосредованные принтеры изначально использовались для переноса металлов.
После печати полученные структуры помещают в специальную среду, где они «дозревают» перед пересадкой, что необходимо для стабилизации и правильного функционирования клеток. Этот этап может занимать до нескольких недель.
Помимо обычных аддитивных, то есть послойных, есть и другие биопринтеры. Некоторые из них могут печатать коллагеном непосредственно на пораженной области. В таком случае этап дозревания пропускается.
Особое значение имеет компьютерная модель будущего объекта. Для этого ученые сканируют и формируют анатомические структуры с помощью компьютерной и магнитно-резонансной томографии. В итоге получаются двухмерные изображения, которые затем наслаиваются и формируют 3D-продукты.
В качестве биочернил для печати используются стволовые клетки, свиной коллагеновый белок или материал на основе водорослей
Стволовые клетки — своеобразная основа, «кирпичики», предшественники других клеток, из которых затем может вырасти ткань, а впоследствии и любой необходимый орган.
В случае работы со стволовыми клетками их извлекают из тела пациента с помощью биопсии, а после подготавливают в биореакторе до нужного количества в процессе деления. Биопринтер полимеризует клеточную структуру — связывает ее с помощью ультрафиолета, нагревания или охлаждения. Клеточные слои соединяются гидрогелем, который может быть как органическим, так и искусственным.
Период дозревания
В мире насчитываются сотни организаций, занимающихся биопринтингом. Доля выручки за 2021 год в сфере 3D-биопечати составила 32,7 процента в США, 28,9 процента в Европе (преимущественно во Франции и Германии), 24,5 процента в Тихоокеанском регионе, 8 процентов — в Латинской Америке, 5,9 процента — на Ближнем Востоке и в Африке.
При этом только за 2022 год объем мирового рынка 3D-биопечати составил 2,13 миллиарда долларов и, по прогнозам, достигнет около 8,3 миллиарда долларов к 2030 году. Ожидается, что рост числа исследований и разработок будет стимулировать рост рынка.
Среди самых известных компаний — Organovo, штаб которой располагается в Сан-Диего, штат Калифорния (США). Лаборатория изначально занималась производством товаров для биопечати, первой начав зарабатывать на технологии 3D-биопринтинга. Так, в Organovo поставляют фармацевтическим компаниям ткань печени exVive3D для исследовательских и терапевтических целей. Сотрудники организации используют биопринтеры собственной разработки — NovoGen MMX Bioprinter.
достигнет объем мирового рынка биопринтинга к 2030 году
Еще одна известная компания — Rokit из Южной Кореи. Там занимаются производством линейки настольных FFF/FDM 3D-принтеров. Профинансированная правительственным грантом в 2015 году компания выпустила свои модернизированные для биопечати устройства. Уже спустя год был представлен флагманский многофункциональный гибридный 3D-принтер Rokit Invivo. Девайс имеет экструдер филамента (в том числе биосовместимого), дозатор и высокотемпературный пневматический экструдер. Rokit Invivo способен производить ткани на основе PLGA, PCL, PLLA, коллагена, альгината и фиброина шелка.
Другая важная составляющая сферы биопечати — разработка софта. Одним из лидеров в этой сфере считается американская компания Allevi. Она создала облачную платформу Allevi Bioprint PRO, которой можно воспользоваться из любой точки мира. К тому же она имеет встроенный инструмент генерации моделей с интегрированной нарезкой. В результате исследователям не требуется тратить время на настройку принтера, что позволяет сосредоточить внимание непосредственно на производстве.
В России передовой лабораторией биопринтинга считается 3D Bioprinting Solution, основанная медицинской компанией INVITRO. В организации работают над производством техники и материалов для 3D-биопечати.
Открытие компании состоялось в 2013 году, а в 2014-м уже был создан собственный уникальный биопринтер FABION, который стал первым подобным устройством, разработанным отечественными учеными. Принтер отличался не только авторским подходом к конструкции, но и специальным программным обеспечением. Спустя еще два года была представлена печатающая головка для одиночных сфероидов, которая позволяет автоматически подавать тканевые сфероиды. Модификацию сразу внедрили в обновленную версию FABION.
Наша компания имеет пять основных достижений, так называемых верстовых камней (milestones). Мы создали первый в России отечественный трехмерный биопринтер, который назвали FABION: от «фаб» — фабрикация и «био» — биология. Этот принтер, согласно независимому рейтингу, входит в число пяти лучших мировых принтеров
В 2017 году 3D Bioprinting Solution закончила разработку инновационного типа принтера, использующего технологию магнитной левитации. Это дало возможность производить самосборку микротканей и микроорганов из тканевых сфероидов.
В декабре 2022 года состоялся запуск ракеты «Союз МС-11», которая доставила магнитный биопринтер на МКС. В космических условиях планируется провести эксперименты по печати хрящей и щитовидной железы.
Напечатанное ухо, нарисованный глаз
Сегодня продолжается усовершенствование технологий биопечати и эксперименты по производству всевозможных тканей и органов. Одно из направлений предполагает создание искусственной кожи, которая может быть использована для пациентов с обширными ожогами.
Сотрудники Колумбийского университета в США разработали проект печати трехмерной «перчатки» из искусственной кожи, которую можно надевать сразу на поврежденные участки. Этот метод позволяет решить распространенную хирургическую проблему при пересадке кожи, когда трансплантат приходится сшивать из небольших лоскутов неправильной формы непосредственно вокруг части тела. Обычно подобные манипуляции отнимают много времени и требуют ювелирной работы медиков.
В Университете Карнеги — Меллона ученые научились создавать сложные биологические структуры — кровеносные сосуды. Производство такого вида образований на принтере сопряжено с целым рядом проблем. Например, часто используемые для печати коллаген, фибрин и другие материалы оседают под собственным весом. Решить этот вопрос удалось с помощью особого состава на основе микрочастиц желатина. В итоге конечные ткани обладают небольшим механическим сопротивлением, что позволяет оставаться им достаточно плотными, но при этом биосовместимыми. Впоследствии напечатанные элементы могут использоваться для создания более сложных структур, таких как органы, в том числе и сердце.
Напечатанный на 3D-принтере нос
Протез носа, представленный Центром делового дизайна в Лондоне.. Фото: Chris Ratcliffe / Bloomberg / Getty Images
Кстати, к печати живого человеческого сердца, которое подойдет для полноценной замены донорских органов и будет обладать тем же функционалом, стремятся многие исследовательские команды в мире. Основное продвижение в этой сфере ограничивается появлением частей сердца или печатью моделей-органоидов для научных экспериментов и тестирования новых методик и препаратов.
В Институте Висса, который входит в состав Гарвардского университета, напечатали на 3D-принтере длинные сердечные макрофиламенты. Для этого специалисты создали основу ткани в виде 1050 лунок, каждая из которых имеет два микроскопических столбика. Лунки загрузили молодыми стволовыми клетками, которые в процессе развития принимали определенные формы. Напечатанные нити можно применять для борьбы со шрамами, возникшими в результате сердечных приступов или других повреждений сердца.
В декабре 2019 года стало известно о первой биопечати трахеи сотрудниками Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM). Готовый конструкт органа состоял из различных образцов гладкой мускулатуры и хряща, демонстрирующий сходные механические свойства с тканью трахеи человека.
Напечатанное на биопринтере ухо
Благодаря технологии биопринтинга ученые могут печатать хрящи, в том числе уши, из стволовых клеток пациента.. Фото: 3DBio Therapeutics
Междисциплинарная команда из организации Fripp Design and Research смогла создать нос для трансплантации пациентке, которой удалили этот орган в 2002 году из-за рака. Для трехмерной модели потребовалась только фотография, которая заменила инвазивную процедуру снятия оттиска с помощью гипса. Множественные снимки были сделаны на 3D-камеры, расположенных под разными углами, чтобы получить изображение лица на 180 градусов. Затем данные загрузили в компьютерную программу, которая завершила процесс создания модели, которая полностью соответствовала контурам, текстуре и тону кожи пациентки. После печати на биопринтере нос успешно имплантировали.
В 2021 году 40-летнему мужчине из Лондона имплантировали глазной протез, напечатанный на 3D-принтере. Пациент более 20 лет был вынужден пользоваться протезами, которые, однако, были не очень похожи на настоящий глаз. По словам мужчины, новый глаз придал ему уверенности.
Восстановление ткани органов с помощью 3D-биопечати
Благодаря этой технологии врачи способны минимально травматично наращивать ткани на поврежденных органах, например, на стенках желудка или толстой кишки.. Фото: Ohio State University
Современные технологии также позволяют печатать ткани (кости, кожу и кровеносные сосуды) непосредственно внутри организма. Обычно большинство этих тканей создаются вне тела и имплантируются хирургическим путем, что формирует дополнительный риск заражения и увеличивает время восстановления для пациента.
Инновационные методы включают в себя введение лапароскопическим путем напечатанных структур для улучшения функции яичников или создание биофункциональных сеток для лечения грыжи. Такие варианты гораздо безопаснее для пациента, экономят время и финансы. Кроме того, это помогает сформировать индивидуальный подход к каждому больному.
Биопринтер компании 3D Bioprinting Solutions
Компания 3D Bioprinting Solutions является ведущим разработчиком биопринтеров в России. В 2022 году на МКС было отправлено устройство, произведенное 3D Bioprinting Solutions.. Фото: «3Д Биопринтинг Солюшенс»
В январе 2023 года группа ученых из UNSW Sydney представила робота-руку для 3D-печати биоматериала непосредственно на органах внутри тела. Устройство под названием F3DB представляет собой небольшую роботизированную руку с 3D-принтером, которую можно помещать в тело как эндоскоп и напрямую доставлять материалы для биопечати. В итоге медики имеют возможность минимально инвазивно наращивать ткани на поврежденных органах, например, на стенках желудка или толстой кишки. Технологию уже протестировали на поверхности почки свиньи. Предполагается, что при дальнейшем развитии примерно в течение пяти-семи лет технология может быть доступна медикам для широкого пользования.
***
По словам научного руководителя лаборатории 3D Bioprinting Solutions Владимира Миронова, в последние годы растет интерес молодежи к технологии 3D-биопечати. Соответствующие курсы появляются в Голландии, Германии, Австралии и России, пишутся кандидатские и докторские работы. Он считает, что как только будут созданы все условия для биопечати (подготовленные специалисты, качественные биопринтеры, хорошие биочернила и тканевые сфероиды), будут все шансы для появления полноценных печатных сложных органов типа сердца.
В Сингапуре, Америке и Германии сейчас создаются специальные центры, даже институты по биопечати. У нас пока такого специализированного института биопечати нет, но я думаю, что рано или поздно он будет создан, будут российские специалисты, будут российские биопринтеры, российские биочернила. Есть шанс, что мы напечатаем человеческий орган первыми в мире, поскольку нечеловеческий орган мы уже напечатали
Среди отличительных возможностей 3D-биопечати — использование трансплантологии там, где ранее она считалась неосуществимой. Так, обычно при лечении онкологических заболеваний медики не могут пересаживать донорские органы, потому что перед трансплантацией в организме пациента намеренно подавляется иммунитет, иначе собственные клетки будут отторгать чужеродный орган. При раке подавление иммунитета провоцирует развитие опухоли. При печати органов из собственных клеток пациента подобные нежелательные эффекты исключаются.
Причем биопринтинг не ограничивается только сферой регенеративной медицины и трансплантологии: напечатанные органы позволяют проводить более точные и качественные исследованиях на полных прототипах человеческих органов, а не на животных. Таким образом, технология может стать востребованной в индустриальном производстве мяса, кожи и меха, а также в косметической индустрии — для испытаний потребительских товаров, что также более этично и экологично.
Немаловажными остаются и проблемы правовой и этической основы. Поскольку технология требует высоких интеллектуальных, финансовых и материальных затрат, она может быть доступна лишь ограниченному кругу людей. В результате это приводит к расслоению пациентов, сохраняя большое количество нуждающихся в очередях на донорские органы. При этом многие эксперты прогнозируют рост быстрых и дешевых прототипов благодаря 3D-печати.
Существуют также и функциональные препятствия, которые ученым предстоит преодолеть. Например, для биопринтинга из организма человека берут клетки, которые затем делятся для последующего создания основы. Однако у клеток есть предел деления, после которого они уже непригодны для использования. Поэтому модели сердца пока удавалось напечатать не в натуральную величину.
Необходимо решить и задачи оптимизации конструкции печатных машин и создания более идеальных биоматериалов, программного обеспечения, а также увеличить разрешающую способность и скорость принтеров.