Биопринтеры

3D печать - это широко применяемое цифровое производство разнообразных пластиковых и металлических изделий. Хотя эта технология сама по себе уже может вызвать производственную революцию, гораздо более поразительно развитие биопринтеров.

Технологии биопечати

Они искусственным способом создают живую ткань, накладывая живые клетки слой за слоем. В настоящее время все биопринтеры являются экспериментальными, тем не менее, в будущем они смогут произвести революцию в медицине.

Биопринтеры могут иметь разные конфигурации, но принцип работы один: они выводят клетки из печатающей головки, которая движется влево-вправо, вперед-назад, вверх- вниз, чтобы поместить клетки куда требуется. Таким образом, за несколько часов можно получить органический объект, который состоит из огромного количества очень тонких слоев.

В дополнение к выводу клеток, большинство биопринтеров также выводят растворимый гель для поддержки и защиты клеток во время печати.

Пионеры биопечати

Несколько экспериментальных биопринтеров уже было создано. Например, в 2002 году профессор Макото Накамура увидел, что капли чернил в стандартном струйном принтере имеют примерно такой же размер, как клетки человека. После этого он адаптировал технологии и в 2008 году создал рабочую модель биопринтера, которая осуществляет печать биотрубочек, похожих на кровеносные сосуды. Профессор Накамура надеется, что со временем можно будет буквально распечатывать внутренние органы, готовые к трансплантации.

Другим пионером в области биопечати является компания Organovo, которая была создана исследовательской группой под руководством профессора Габора Форгача (Gabor Forgacs) из университета Миссури. С марта 2008 года Organovo задалась целью создать технологии биопечати функционирующих кровеносных сосудов и сердечной ткани с помощью клеток, полученных из тканей цыпленка. Эта работа опирается на прототип биопринтера с тремя печатающими головками. Первые две головки выводят кардио- и эндотелиальные клетки, в то время как третья выделяет коллагеновую основу - так называемую "био-бумагу" - для поддержки клеток во время печати.

С 2008 года Organovo работала с компанией Invetech для создания коммерческих биопринтеров под названием NovoGen MMX. В этот биопринтер загружаются биочернильные сфероиды, наполненные десятками тысяч клеток. При печати NovoGen создает первый слой на био-бумаге, изготовленной из коллагена, желатина или других гидрогелей. Затем в него вводятся (впрыскиваются) биочернильные сфероиды. Слой добавляется за слоем до создания конечного объекта.

Удивительно, но природа берет свое, и биочернильные сфероиды медленно сливаются. После этого биобумага растворяется или удаляется другим способом, и в результате получается ткань или орган, напечатанный с помощью биопринтера.

Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов. После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства.

Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs), он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые "знают", как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.

В декабре 2010 года компания Organovo создала при помощи биопринтера первые кровеносные сосуды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также успешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам, а эксперименты по пересадке созданных таким методом тканей человеку запланированы на 2015 год. Тем не менее, ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит ученым тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.

Со временем, как только испытания на человеке будут завершены, Organovo надеется, что биопринтеры будут использовать для получения трансплантатов кровеносных сосудов и применяться в операциях по шунтированию сердца. Намерения компании включают масштабную разработку технологий создания тканей и органов "на заказ". Для реализации этой задачи исследователи в настоящее время работают над созданием крошечных механических устройств, которые могут осуществлять искусственную тренировку и, следовательно, укреплять мышечные ткани, созданные на биопринтере, до имплантирования в тело пациента.

Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.

Регенеративная основа и кости

Еще одна группа исследований, преследующая долговременную цель получения человеческих органов "на заказ", создала биоплоттер Envisiontec Bioplotter. Как и NovoGen MMX компании Organovo, этот биоплоттер выводит биочернильные тканевые сфероиды и вспомогательные материалы, включающие поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста. Помимо этого Envisontec также может печатать более широкий спектр биоматериалов - биоразлагаемые полимеры и биокерамику, которая может быть использована для поддержки и придания формы искусственным органам. Эти материалы, созданные на биопринтере, могут быть использованы даже в качестве заменителя костей.

Команда под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab) работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. В настоящее время экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путем стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.

При проведении другого эксперимента команда Мао имплантировала решетчатую структуру, созданную на биопринтере, в район бедренной кости нескольким кроликам. И снова эта конструкция была насыщена факторами роста. Как сообщил медицинский журнал The Lancet, в течение четырех месяцев у всех кроликов образовались новые, полностью функциональные суставы вокруг этой решетки. Некоторые кролики даже начали передвигаться и переносить вес на свои новые суставы уже через несколько недель после операции. В следующем десятилетии люди, нуждающиеся в эндопротезировании, уже смогут получить новые тазобедренные суставы и другие кости, созданные с помощью технологии биопечати. Команда из Университета штата Вашингтон недавно сообщила о результатах четырех лет работы с использованием 3D-принтера для создания костеподобного материала, который в будущем может быть использован для восстановления поврежденных человеческих костей.

Биопечать In Situ

Вышеупомянутый научный прогресс со временем позволит получать в лабораториях органы с помощью биопринтеров из собственных клеток пациента, что может привести к революции в медицине. Тем не менее, другие исследователи пытались пойти дальше и разработать методы, позволяющие распечатать новую ткань или орган непосредственно на теле. В следующем десятилетии врачи получат возможность просканировать раны и нанести слои клеток для их быстрого заживления.

В настоящее время команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата (Anthony Alata) в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесенных мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две - три недели (примерно пять-шесть недель - в контрольной группе).

Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях. В настоящее время работа все еще находится в фазе доклинических испытаний. Алата развивает технологии, экспериментируя на свиньях. Тем не менее, испытания на людях, пострадавших от ожогов, могут быть осуществлены в течение ближайших пяти лет.

Потенциал для использования биопринтеров для восстановления поврежденных тканей и органов нашего тела in situ просто колоссальный. Возможно уже в следующем десятилетии станет возможным создание роботизированной хирургической руки с наконечником в виде головки биопринтера, которая будет проникать в тело и осуществлять восстановление повреждений на клеточном уровне. Пациентам по-прежнему нужно будет отдыхать и восстанавливать силы в течение нескольких дней, пока созданный биопринтером материал полностью станет зрелой живой тканью. Тем не менее, большинство пациентов в перспективе смогут реабилитироваться после очень серьезной операции менее, чем за неделю.

Использование в косметологии

Также как и восстановление внутренних органов биопринтером через небольшой надрез на теле пациента, применение этой технологии имеет большие перспективы и в области косметологии. Например, могут быть созданы биопринтеры для печати человеческих лиц. Они будут испарять существующие ткани и одновременно заменять их новыми клетками, создавая новое лицо по желанию самого пациента.

Даже упоминание о том, что клетки вашего лица медленно выжигают лазером и печатают на заказ наводит на мысли об ужасной пытке, которую никто никогда не захочет перенести. Однако, многие люди сегодня идут под нож, чтобы достичь гораздо меньшего косметического эффекта. Когда технология станет доступной для создания на биопринтере новых лиц, не говоря уже о принтерах, которые смогут напечатать новые мышцы без затрат времени на их тренировку, очень вероятно, что она будет востребована на рынке косметических услуг.