20 Мая 2019

3Д печать органов – революционный период в развитии человечества?

Опубликовал А.А. Алексеенко

«Теоретически напечатанные органы будут продлевать жизнь пациентов и, если хотите, «омолаживать» их, но только на уровне ткани или органа, а не организма в целом».

/Профессор В.А. Миронов/

Всю историю нашей цивилизации лучшие умы человечества работают над увеличением длительности жизни и её качества. Во времена Древнего Рима и Египта значительная часть людей жила немногим дольше двадцати лет. В средние века средняя продолжительность жизни достигала 32-34 лет. И такая ситуация наблюдалась до середины девятнадцатого столетия, пока прорывы в области медицины не увеличили длительность жизни более чем вдвое.

В современной медицине одной из наиболее проблемных отраслей остаётся трансплантология. Громадные сложности составляют не столько технологии пересадки и дальнейшей реабилитации, сколько нахождение доноров, связанные с этим юридические проблемы и жуткий подпольный бизнес, построенный вокруг этой области медицины.

И вот, в трансплантологии наметился революционный прорыв – возможность печатать органы человека на трехмерном принтере, что гипотетически должно решить множество проблем медицины. На какой стадии развития находится эта новая технология, и какие перспективы она открывает перед человечеством, мы рассмотрим в этой статье.

Изобретение методики биологической печати

Гениальная идея пришла в голову биоинженера Томаса Болдана, который в 2000 году смог перенастроить струйные принтеры производства брендов HP и Lexmark, так что с их помощью можно было производить печать человеческими клетками. В 2003 году изобретатель запатентовал технологию. Перспективность такого технического решения сложно недооценить и, как только научное сообщество узнало об этом прорыве, в разнообразных уголках земного шара начали вестись исследования с целью усовершенствования технологии биопечати.

Изначальная технология выглядела следующим образом. Томас Болдан выяснил, что размер человеческих клеток примерно равен размеру чернильной капли для принтера. Он нашел модели принтеров с наиболее крупными отверстиями в распылителе. В качестве «бумаги» применяется термообратимый гель, который изначально наносился на стекло. Также изобретателям пришлось поработать над программным обеспечением, чтобы обеспечить контроль температуры для клеточного состава в картридже. При перегреве клетки попросту гибнут.

Первые принтеры наносили слои клеток на плоское основание. Подобные опыты велись и ранее – ученые пробовали создавать ткани из клеток, нанося их слой за слоем. Но технология печати ускорила процесс в разы. И это было только начало.

Состояние 3Д печати в 2019 году

Прошло 16 лет с момента регистрации первого патента на трехмерную печать и ситуация с исследованиями серьезно продвинулась вперёд. Сейчас исследователи развивают два основных направления в печати тканей и сложных органов:

  • Использование каркаса. В данном случае для создания органа сложной формы используется жесткая основа, которая исчезает после того, как распылённые клетки срастаются друг с другом. Изначально использовались обесклеченные трупные органы, на которые наносились клетки. Сейчас по ряду причин исследователи стараются отойти от подобных каркасов и экспериментируют с разными типами материалов, но пока еще не пришли к однозначному выводу касательно оптимального материала. Требования к каркасу довольно жёсткие: он должен самостоятельно деградировать по мере срастания клеток, не быть токсичным и иметь степень эластичности, идентичную печатаемому органу. Сейчас каркас производят из титана, синтетических биополимеров, желатина или геля.
  • Печать без каркаса. Более сложная версия печати, в которой клетки наносятся на основу из гидрогеля. Клетки перед печатью «пакуют» в сфероиды из гидрогеля и содержат в охлажденном состоянии. После распыления из принтера, сфероиды нагреваются до температуры 36,6 С0, что приводит к их распаду. В дальнейшем клетки сами формируют естественный каркас, называемый клеточным матриксом. Данный метод более сложный с точки зрения технологии, из-за чего он менее распространён. Но при этом исчезают проблемы, свойственные каркасному методу печати: этические и юридические вопросы, которые обязательно возникнут при массовом использовании обесклеченных органов.

Вот как поясняет использование сфероидов профессор В.А Миронов:

«Клетки контактируют друг с другом внутри клеточных сфероидов через рецепторы клеточной адгезии (от лат. adhaesio — прилипание). Тканевые сфероиды сливаются так же, как, например, две капли масла в воде — под действием сил поверхностного натяжения, а также в результате клеточной перегруппировки и миграции. Тканеспецифичные сфероиды при слиянии образуют ткане- и органоспецифичные структуры с «нормальной» морфологией».

Технические решения в биопечати

За 16 лет исследований переделанные струйные принтеры стали неактуальными. Сейчас для нанесения клеток используется три технологических решения:

  • Струйное напыление. Это прямое развитие идеи Томаса Болдана, только вместо базового чернильного принтера используются специально сконструированные принтеры. Главное достоинство технологии – дешевизна и простая воспроизводимость. Но есть и весомые недостатки. Например, печатать вязким клеточным материалом не получится в принципе. Также нередко происходит закупорка сопла, из-за чего остаток клеток в картридже погибает. Помимо этого, невозможно добиться сверхточной укладки клеток, из-за чего возникают трудности с печатью сложных органов. На данный момент на струйных биопринтерах успешно печатают хрящевую и костную ткань, а также мышцы и кожу.
  • Микроэкструзионное напыление. Технология пришла из неорганической трехмерной печати. Клеточный материал подаётся под давлением в подвижную экструзионную головку, которая обладает громадной степенью свободы в перемещениях. Имеется возможность очень плотно укладывать клетки, но при этом многие из них гибнут. Но всё равно, это пока единственный способ печатать ткани высокой плотности.
  • Лазерная печать. Это наиболее точный способ печати, позволяющий точечно укладывать отдельные клетки. Но технология имеет свои недостатки. Клеточный элемент выталкивается избыточным давлением, которое создаёт лазерный луч. Сами клетки лежат на стекле, а для снижения температуры от лазера используется отражающий материал. И этот материал в процессе печати испаряется, из-за чего в напечатанных тканях наблюдается повышенное содержание металла.

На данный момент лишь несколько команд исследователей имеет ресурсы для серьезной работы с улучшением технологий биопечатии:

  • Kwambio. Украинский многообещающий стартап, работающий при поддержке инвестиционного фонда WeFund Ventures. Команда создаёт принтеры для печати органов и костей. Отличительная особенность их технологии – создание трёхмерного анатомического атласа человека, который позволит в будущем быстро распечатать любой необходимый орган. Цель проекта – в перспективе обеспечить биопринтерами каждую больницу.
  • Organovo. Компания из США, которая разработала и создала первый серийный биопринтер Novogen. Сейчас компания печатает печеночные ткани, которые используется фармакологами для исследования новых препаратов. Это крупнейшая компания в мире, занимающаяся биопечатью. Капитализация Organovo – 350 млн. долларов.
  • Cyfuse Biomedical. Японская команда, успешно печатающая кожу и кровеносные сосуды. Этими исследователями был создан биопринтер Regenovo.
  • 3D Bioprinting Solutions. Частная российская лаборатория, которая работает с технологией печати с помощью сфероидов. Является подразделением российской фармацевтической компании Инвитро. Руководит исследованиями профессор В.А. Миронов.

По этой информации наглядно видно, что развитие технологий идёт полным ходом. И в скором времени медицина выйдет на принципиально новый уровень. Тем более, что уже были проведен ряд успешных операций по пересадке распечатанных органов.

Успешные пересадки напечатанных органов

Каждая команда исследователей проводила успешные опыты по пересадке тканей и органов подопытным животным. Например, Институт регенеративной медицины в Уэйк-Форесте (США) создал и опробовал на свиньях технологию печати новой кожи непосредственно на теле пациента. Печатное оборудование сканирует рану, и потом заполняет её клеточным материалом. Эту технологию теперь успешно применяют в ожоговых центрах.

Пока исследователям ещё не подвластна печать сложных органов, таких как почки, печень, сердце или легкие. Хотя печеночная и почечная ткань уже массово производится для фармацевтических компаний. Но успехи с менее сложными органами уже имеются:

  • Еще в 2001 году десятилетнему Люку Масела пересадили мочевой пузырь, выращенный из его собственных клеток. Правда, тогда это было сделано без принтера, но технология не особо отличалась от каркасной печати. Люк все 17 лет после пересадки чувствует себя прекрасно.
  • В Бельгии совершили успешную пересадку напечатанной челюсти больной остеомиелитом женщине. Возраст женщины на момент операции был 83 года, но пересадка и приживление прошли успешно.
  • Американским военным пострадавшим на службе уже давно пересаживают напечатанные на принтере носы, уши и другие части лица.

И это лишь несколько примеров – с каждым месяцем прецедентов пересадки распечатанных тканей и несложных органов становится всё больше.

Возможные препятствия повсеместному внедрению печати органов

Несмотря на явный положительный эффект от такого прорыва в медицине, многие аналитики прогнозируют ряд сложностей, которые могут серьезно затормозить развитие этой отрасли.

  • Первая сложность- это предположительное серьезное увеличение длительности жизни, вплоть до достижения бессмертия. Это при том, что уже на Земле наблюдается перенаселение. Как контролировать в таком случае численность человечества – это невероятно сложный морально-этический вопрос.
  • Вторая сложность навеяна конспирологическими теориями – дескать, фармацевтические корпорации костьми лягут, но не позволят технологии «уйти в массы». Ведь это колоссальные убытки, если болезни, которые можно годами лечить с помощью препаратов, будут исцелять одной пересадкой здорового органа. Следуя такой логике, трансплантацию печатных органов будут стараться сделать привилегией для элит, а остальное население будут лечить по старинке.
  • Третью проблему видят сами ученые, которые сейчас разрабатывают технологию биопечати. Например, Пит Басильер, руководящий научно-аналитическим отделом компании Gartner, опасается, что после печати донорских органов настанет очередь создания усовершенствованных «запчастей» для человека. Как это повлияет на общество и человеческий вид в целом, если кто-то сможет за деньги стать более быстрым, сильным и выносливым, сейчас даже сложно предположить.

Но стоит надеется, что человечество уже вынесло уроки из неосторожного обращения с экологией и животным миром. И при внедрении революционной медицинской технологии наука и власти будут руководствоваться соображениями всеобщего блага. И в обозримом будущем мы забудем про болезни и короткий срок жизни.