Что такое биопринтинг?
Как напечатать искусственное сердце? Можно ли уже сегодня использовать технологию 3D-печати органов в хирургии?
Еще недавно печать живых органов на 3D-принтере была чем-то из области научной фантастики. Сейчас же биопринтинг – одно из перспективных направлений исследований, которым занимаются, в том числе, и в России. Что же изменилось?
В классической медицине, начиная с 20-го века, применялись три класса материалов: металлы, керамика и полимеры. Такие материалы используются, например, для изготовления всевозможных протезов и имплантов, позволяющих улучшить жизнь человеку. Но этого оказалось недостаточно.
В первую очередь, создание импланта – это очень сложный и высокотехнологичный процесс. Главная проблема – подбор материалов, которые не должны окисляться, вступать в конфликт с окружающими живыми тканями организма и не будут отторгаться. Но металл, в лучшем случае, биоинертен и не поддерживает рост тканей, а иногда и препятствует ему.
Кроме того, имплант еще должен иметь очень сложную структуру. Давайте рассмотрим кость. Например, для замены ключицы, как самой часто ломающейся кости в теле человека, необходимо не только подобрать материал, но и полностью повторить её структуру. Поскольку внутри полостей ключицы содержится губчатое вещество, то и искусственную кость необходимо дополнить естественным внутренним содержимым. Чтобы иммунная система приняла имплантат как родной, клетки тканей должны адгезироваться – закрепиться в комфортных для себя условиях. Тогда они будут делиться.
Все это делает изготовление искусственного импланта сложной и дорогостоящей задачей. Поэтому ученые разработали абсолютно новый подход к решению данного вопроса – 3D-биопринтинг.
Смысл такой: пациент отдаёт немного своей ткани, далее из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. После чего создаётся трёхмерная модель органа, посылается на 3D-принтер. Устройство использует специфические биочернила на основе клеток, синтезированных из взятого генного материала у человека. Умный принтер понимает, в какую точку трехмерного пространства ему необходимо «уложить» очередной кирпичик - конкретный тип клетки.
В результате такой печати появляется тканевый конструкт, который помещают в специальную питательную среду, чтобы не начались проблемы с гипоксией и отмиранием напечатанных клеток ткани. Далее в биореакторе он «созревает». После чего орган можно трансплантировать пациенту.
Современная технология позволяет решать задачи различного уровня. Так в 2014 году ученые из Великобритании разработали технологию биопечати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным.
Летом 2014 года под руководством Владимира Миронова был создан первый российский биопринтер оригинальной конструкции и дизайна. С его помощью в 2015 году впервые в истории был напечатан и затем успешно пересажен функционирующий орган – щитовидная железа мыши. Было показано, что напечатанный орган не просто повторяет морфологию, но и способен выполнять функции щитовидной железы.
В 2015 году ученые в Швейцарии разработали технологию, позволяющую печатать хрящи. Полноразмерный имплантат человеческого носа может быть создан менее чем за 20 минут. Исследователи считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по такой методике.
В 2016 научная группа из США использовала 3D-биопечать для создания кровеносных сосудов. Уникальность исследования заключалась в том, что материалы, созданные при помощи таких принтеров, позволяли маленьким кровеносным сосудам развиваться в дальнейшем самостоятельно.
В 2020 году ученые из США и Канады разработали принтер, позволяющий печатать клетки кожи непосредственно для лечения ран и ожоговых поражений.
Пока не удается напечатать полноценно работающий человеческий орган, и работа в этом направлении ведется в лабораториях по всему миру, в том числе и в России.
На базе Центра трехмерной биопечати Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ под руководством ведущего российского ученого-биоинженера Владимира Миронова ведутся исследования по возможности печатать живые ткани прямо в операционном блоке.
Сегодня ученые решают задачу непосредственно в больнице восстанавливать поврежденные ткани или целые органы пациента. Такая технология ускорит процесс выздоровления, избавит людей от поисков доноров органов, а также позволит избежать неоправданных летальных исходов.
Еще одна амбициозная задача, стоящая перед мировым научным сообществом, – напечатать функционирующее человеческое сердце. Несмотря на кажущуюся сложность, весьма вероятно, что именно этот орган будет напечатан одним из первых. Повторить его устройство гораздо проще, нежели, например, почек или печени, поскольку в последних протекают сложные биохимические реакции, а сердце выполняет, по большей части, механическую работу.
Существуют и функциональные препятствия, которые ученым еще предстоит преодолеть. Например, для биопринтинга ученые берут из организма клетки, которые затем делятся для последующего создания основы. Однако у клеток есть предел деления, после которого они уже непригодны для использования.
Биопринтинг – очень молодое и многообещающее направление, и исследователям в этой области еще предстоит разрешить огромное количество сложных и нетривиальных вопросов, правильного ответа на которые никто не знает. И каждый из вас, кто сейчас поступает в вузы, стремится в науку, может принять личное участие в его развитии!