3D-биопринтинг — технология создания объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток [1] . Первый патент, относящийся к этой технологии, был подан в США в 2003 году и получен в 2006 году [2] .
Содержание
Содержание
Технология [ править | править код ]
Технология 3D-биопринтинга для изготовления биологических конструкций, как правило, включает в себя размещение клеток на биосовместимой основе, с использованием послойного метода генерации трёхмерных структур биологических тканей. Поскольку ткани в организме состоят из различных типов клеток, технологии их изготовления путём 3D-биопринтинга также существенно различаются по их способности обеспечить стабильность и жизнеспособность клеток. Некоторые из методов, которые используются в 3D-биопринтинге — фотолитография, магнитный биопринтинг, стереолитография, и прямая экструзия клеток. Клеточный материал, изготовленный на биопринтере, переносится в инкубатор, где он проходит дальнейшее выращивание.
Внедрение [ править | править код ]
Согласно экспертным оценкам, американская компания Organovo, расположенная в Сан-Диего, стала первой компанией, осуществившей коммерциализацию технологии 3D-биопринтинга [3] . Компания использует технологию NovoGen [en] MMX Bioprinter. Используемый Organovo 3D-принтер предназначен для изготовления тканей кожи, сердца, кровеносных сосудов и других тканей, которые могут быть пригодны для хирургии и трансплантации. Исследовательская группа из университета Суонси в Великобритании использует технологии 3D-биопринтинга для изготовления мягких тканей и искусственных костей для возможного использования в восстановительной хирургии [4] .
Одна из самых зрелищных демонстраций технологии 3D-биопечати прошла в 2011 году, когда на конференции TED-2011 специальный 3D-принтер напечатал макет человеческой почки прямо во время выступления американского хирурга и биоинженера Энтони Аталы [5] .
В 2017 году в Китае детям с врожденным дефектом уха пересадили 3D-печатные уши [6] .
Значение [ править | править код ]
Разработка технологии 3D-биопринтинга играет большую роль в выращивания органов и разработке инновационных материалов, прежде всего биоматериалов [en] — материалов, подготовленных и используемых для печати трёхмерных объектов. Ткани, лекарства (в перспективе — целые органы), изготавливаемые путём 3D-биопринтинга, в будущем смогут выступать в качестве заменителей «природных» человеческих органов, в некоторых случаях обладая свойствами, превосходящими природные органы [ источник не указан 864 дня ] . Например, изготовление альгиновой кислоты в настоящее время извлекаемой из красных водорослей и превосходящей по некоторым [ каким? ] параметрам природный «материал» человеческого организма [7] , и добыча синтетических гидрогелей, в том числе гелей на основе полиэтиленгликоля [8] .
В России частная лаборатория, работающая в области трехмерной органной биопечати, «3Д Биопринтинг Солюшенс» объявила о результатах эксперимента по пересадке мыши напечатанного с помощью российского биопринтера FABION органного конструкта щитовидной железы. В течение нескольких последующих месяцев «конструкты прижились и доказали свою жизнеспособность» [9] . А в декабре 2018 года российским специалистам удалось получить первые результаты эксперимента по печати органов на МКС: биопринтер напечатал в невесомости конструкт щитовидной железы мыши и хрящевую ткань человека [10] [11] .
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.
Среднее время ожидания трансплантации почки – 944 дня. Два с половиной года. А ежедневно в ожидании трансплантации донорских органов умирает 20 человек. Но даже наличие донора не гарантирует успеха: у донора и реципиента должна быть иммуносовместимость. Да и всегда существует риск стать жертвой инфекции во время трансплантации, заболеть ВИЧ, гепатитом В, которые вовремя не были диагностированы у донора. Удручающе, знаем.
Одна из “технологий будущего” – 3D-печать, похоже, дает надежду на альтернативу. И надеемся, в ближайшей перспективе.
Технология в действии
3D-печать (3D-printing) – это создание трехмерного объекта путем наложения слоев материала. Слой за слоем – и из виртуальной модели, картинки появляется объект. В качестве материалов для слоев используется пластик или металл.
Биопринтинг – это использования 3D-печати для создания тех же трехмерных объектов, но только не из металла или пластика, а из живых клеток с использованием растворимого гидрогеля для их поддержания, защиты и заполнения пустых пространств в тканях. То есть создается виртуальный дизайн органа пациента и слой за слоем “печатаются” живые органы и ткани. Для костей используется титановый порошок.
С помощью биопринтинга удалось изготовить печень, сердце, мочевой пузырь, ухо и человеческие ткани. Есть даже примеры успешной имплантации органов, созданных при помощи 3D-печати.
Ученые из Нидерландов успешно провели первую в мире операцию по полной трансплантации черепа с помощью импланта, созданного с использованием 3D-печати. У пациентки наблюдалось утолщение черепа, которое усиливало давление на мозг и нарушало координацию движений. Ситуация ухудшилась, и нельзя было обойтись без хирургического вмешательства.
Сделав 3D-снимок черепа, удалось воссоздать точную копию его формы, что важно не только с эстетической точки зрения, но и для будущего импланта в организме. Точное соответствие значительно увеличивает шансы на то, что орган нормально приживется. Череп напечатали, успешно трансплантировали и уже по прошествии 3 месяцев пациентка вернулась к своей привычной жизни.
В Пекине докторам удалось трансплантировать позвонок 12-летнему мальчику. Из-за злокачественной опухоли в спинном мозге некоторые кости пришлось удалить, в том числе один из позвонков. Но докторам удалось заменить его на имплант, изготовленный на 3D-принтере из титанового порошка.
Опять же точное соответствие, достигнутое благодаря виртуальному проектированию и 3D-печати, обеспечило естественную интеграцию имплантата.
Положительный эффект
1. Удастся решить проблему дефицита органов
Смерть в ожидании донора не менее страшна, чем черный рынок органов, который существует в Китае, Непале и Индии. Если удастся отыскать приемлемую альтернативу, удастся сохранить жизни не только потенциальных реципиентов, но и доноров. А у 3D-печати для этого неплохой потенциал.
2. Полная персонализация
Одним из главных преимуществ биопринтинга является полное соответствие форме органа реципиента. Как мы говорили, это существенно увеличивает шансы успешной интеграции имплантата в теле донора. К тому же это упростит сам процесс имплантации, полностью исключается стадия поиска органа по иммуносовместимости. Куда уж более совместимый.
3. Прогресс в тестировании лекарств
Ни невинные животные, ни люди больше не будут страдать. Проводить тесты препаратов, косметики и другие исследования можно будет на “напечатанных” органах. Притом что они обладают теми же показателями, что и реальные человеческие органы и ткани. И в неограниченном количестве.
Негативный эффект
Негативные последствия, безусловно, лежат в этической сфере.
Во-первых, кто будет контролировать печать органов и использование соответствующего медицинского оборудования. Правильно ли то, что все желающие будут иметь доступ к созданию новых человеческих органов? Отсюда рождается вопрос о контроле их качества – кто этим займется и займется ли?
Во-вторых, появление такой доступной функции, как “заменить” орган, сведет на нет всю сферу здравоохранения и заботы о здоровье. Ну а зачем, если потом любой орган можно заменить? Действительно.
Реальные перспективы
Нас можно поздравить: первые операции провели, имплантаты трансплантировали, все живы. Технологию уже активно используют в исследовании реакции живых тканей на лекарства, а также создании специфического медицинского оборудования. Для костей есть титановый порошок, для внешних органов по типу конечностей используется пластик.
Насчет остальных органов – почек, сердца или печени, например. Клаус Шваб, основатель и президент Всемирного экономического форума в Давосе, в своей книге «Четвертая промышленная революция» приводит результаты опроса 800 топ-менеджеров. 76% из них согласились с прогнозом: к 2025 году произойдет первая пересадка печени, созданной с использованием технологии 3D-печати.
