Обычный принтер функционирует в двухмерном пространстве, перенося изображение на какой-нибудь материал. 3D-принтер во многом совершенствует данную технологию, поскольку ему доступны оси X, Y и Z. Трёхмерная печать сводится к послойному конструированию объекта, заданного оператором при помощи компьютера. Уже сейчас мы способны мастерить детали машин, игрушки и скульптуры. Впрочем, 3D-принтер может не только облегчать производственные процессы, но и спасать жизни людей.
Дело в том, что живой организм — по сути своей биомашина. Её успешность напрямую зависит от того, насколько согласованно и качественно будут работать органы-детали.
Наши органы прошли долгий путь, прежде чем стать собой нынешними. Каждый из них имеет свою структуру, анатомические особенности, а также занимает определённое место в каскаде физиологических реакций.
| Человеческий организм эволюционировал со зверским резервом прочности. Мы способны очень долго жить в травмирующих условиях. Загрязнённый воздух. Неправильное питание. Токсины в пище. Всё это медленно, но верно расстраивает нашу жизнедеятельность. Что делать, когда орган отказывает? В начале XX века наука подошла к тому рубежу, на котором стало возможным появление трансплантологии. Казалось бы, всё просто: извлеки донорский орган, подсади его пациенту и наслаждайся успехом. |
Только вот наши клетки выставляют на поверхности мембран своеобразные флажки-антигены. Если иммунная система видит что-то не под своим «знаменем», то моментально запускает воспалительный ответ. Т-киллеры продуцируют дроны-антитела, что плывут к чужеродным клеткам. Они принимаются дырявить клеточные мембраны, убивая ткань.
В случае с костным мозгом известна агрессия не тела к органу, а трансплантата в отношении реципиента. Ослабленный организм не способен выдержать конфликт между своими частями. Это приводит к самым грозным последствиям вплоть до гибели человека.
Техничное исполнение операции зависит от мастерства и опыта хирурга. Проблема приживания органа — давний бич трансплантологии. Современные технологии, развившиеся в тесном сотрудничестве с IT, открывают головокружительную перспективу разрешить эту трудность — и спасти тысячи жизней. Дело в том, что не обязательно искать орган, подходящий по антигенному составу для пациента. Орган можно создавать искусственно. Именно здесь на сцену выходят биопринтеры и технология 3D-печати.
Как работает 3D-принтер
Биопринтер не отличается от своего промышленного собрата за исключением той особенности, что он печатает живыми клетками по коллагеновой матрице. Коллагеном называется белок нитевидной структуры, что играет роль каркаса для специализированных клеток. Врачи берут клетки пациента и помещают их в инкубатор, где создаются условия для их размножения. Накопив достаточно материала, операторы будут готовы к самой печати.
Такой процесс актуален для простых тканей вроде кожи. Некоторые клетки, к примеру, тельца крови или кардиомиоциты, стоят на финальных этапах своей эволюции. Размножать их в чашке — неблагодарная работа. Таких несговорчивых товарищей намного легче делать из стволовых клеток.
| На пальцах клетку можно сравнить с биологическим заводом, который продуцирует определённые вещества. У всех клеток одинаковые гены. Ядро выполняет роль ЭВМ, а цепочки ДНК — харда, на котором записана программа. В молекулярной биологии существует догма «ген-белок-признак». Эти самые гены можно активировать или подавлять, заставляя клетку работать совершенно разными образами. |
Стволовые клетки могут считаться клетками-предшественницами, из которых вырастает что угодно. Их можно толкнуть на дорогу специализации, заставив стать нужной тканью. Именно она будет структурной единицей органа.
Софт
Создание трёхмерной конструкции начинается с компьютерной модели. Говоря о создании органов, следует упомянуть компьютерную и магнитно-резонансную томографию. Эти методы диагностики создают двумерные срезы анатомической структуры. Модель, построенная на основе слайсов, будет референсом для 3D-печати.
| Компания «Allevi» — крупный игрок на рынке биопечати. В сентябре 2015 года специалистам стала доступна программа «Allevi Bioprint PRO». Облачный софт доступен с любого компьютера и располагает технологией встроенной генерации моделей с интегрированной нарезкой. Это позволяет сосредоточить внимание специалистов на медико-биологическом ведении производства, а не долгой настройке принтера. |
В то же время новый продукт от фирмы «Cellink» сделал крупную заявку на титул самого гибкого и совершенного софта для биопечати. Принтер «BIO X6», не имеющий аналогов в мире, реализует возможность объединения колоссального массива материалов, ячеек и прочих инструментов для искусственного создания органов.
Что можно создать на биопринтере
Тело человека — сложнейшая структура, которая объединяет огромный массив живых тканей. Согласовать их работу. Удовлетворить потребности. Объяснить каждому органу, что от него требуется. Всё это налагает колоссальную ответственность на специалиста, но спасение пациента и обеспечение высокого качества жизни стоит всех трудов.
Органы пронизаны густой сетью капилляров. Каждый кровеносный сосуд функционирует как автострада, по которой двигается кровь с кислородом, питательными веществами и нервными клетками. Провода-нервы распространяют команды из ядер головного мозга. Многие клетки как бы «знают», в каком направлении должны расти, но даже так они будут нуждаться в каркасе из биологических волокон.
| От момента открытия некоего физиологического процесса до понимания, как на него влиять, проходят годы. Годы клинических исследований, сбора статистики и обработки поступившей информации. А ведь ещё нужно выяснить, насколько безопасен изобретённый метод лечения и какими будут его отдалённые последствия. Также необходимы время и силы для разработки специализированного софта. Высокотехнологичная медицина развивается в тесной интеграции математики, биологии, учения о клеточных культурах и информационных технологий. |
Программисты, врачи, инженеры и биологи работают день и ночь, дабы люди, нуждающиеся в помощи, смогли её получить. Сейчас технология трёхмерной печати далека от совершенства, однако успехи уже впечатляющие. Так что же можно печатать на 3D-принтере? Пожалуй, начнём от простого к сложному.
Искусственная кожа
Кожа выступает первым барьером, отделяющим внутреннюю среду организма от мира. Кожа умеет регенерировать. Она охотно отзывается на стимулирование роста в лаборатории, а её структурные элементы хорошо переносят недостаток кислорода.
Трансплантация кожи имеет огромное значение для комбустиологии, раздела медицины, что занимается лечением ожогов. Ожог — не просто боль. Отмершая кожа пропускает внутрь бактерий. С её поверхности активно испаряется влага. Воспаление, неизбежно следующее за термическим повреждением, запускает весьма нехорошие процессы в организме.
Исследовательская группа из Медицинской школы Уэйк-Фореста протестировала биопринтер, способный печатать кожу прямо на ожоге. Сканер исследует поверхность и глубину раны. Печатающая головка наносит клеточную культуру. Чтобы эффективно исцелить рану, хватает покрытия одной десятой площади дефекта. Оказавшись на теле, клетки кожи начинают увеличивать свою численность и затягивают рану.
Хрящи
Хрящ плотнее кожи, однако спокойно переносит процедуру биопечати. Уши и глаза формируют эстетический контур лица. Пациенты, пережившие ДТП или другие травмы, становятся клиентами пластических хирургов. Сейчас имеется широкий выбор силиконовых протезов, внешне едва отличимых от родного носа. Беда в том, что организм воспринимает силикон как чужака.
В 2015 году исследователи из Цюриха нашли способ напечатать настоящий нос всего лишь за 20 минут. Вот что об этом говорит Матти Кести:
| «Клетки пострадавшего берутся из колена, разбитого носа или уха. Мы заставляем их размножаться в лабораторных условиях. После они смешиваются с биополимером. Из этой суспензии биопринтер выполняет модель хряща носа. Хирург имплантирует её во время операции. Впоследствии полимерная матрица деградирует, оставляя только родной хрящ. Дополнительное преимущество в том, что имплантат растёт вместе с пациентом, что особенно важно для детей» |
Кровеносные сосуды
Кровь течёт по сосуду, словно по трубе. Трофика органов напрямую зависит от того, насколько этот сосуд здоров. Сосудистые катастрофы уносят тысячи жизней. Первая из них связана с атеросклерозом, когда жировая бляшка цепляется к стенке сосуда. Вокруг неё разрастается тромб. Состояние, при котором он отрывается, называется «тромбоэмболия». С током крови тромб улетает в сосуд меньшего просвета и наглухо его перекрывает.
Конечно, атеросклеротические бляшки можно удалять методами сосудистой хирургии. Но почему бы не вырастить здоровый сосуд? С этой задачей справилась Моника Мойя из Ливермонской национальной лаборатории. Сосуды, изготовленные по её технологии, умеют самостоятельно прорастать в подлежащие ткани. Сочетая методику Мойи с классической биопечатью, можно создавать куда более сложные органы, чем кожа или хрящ.
Моника Мойя за работой.
Кости
Переломы находятся в ведении травматологии. Костный скелет формирует каркас, на котором держатся прочие ткани. Сочленения костей бывают разными, но в контексте биопечати особое значение имеют повреждения позвоночника и суставов. Несмотря на твёрдость, кости живые, а потому склонны воспаляться и отмирать. Современные протезы из титана возвращают людям способность к движению, однако любой металл вызывает реакции отторжения.
Масла в огонь подливает необходимость комплаенса между хрящом и костью. Без него работа сустава будет невозможной. Команда из университета Суонси разработала методику производства биопротезов.
Небольшая кость печатается в течение 2 часов. Значит, это можно делать в операционной. Точки, где имплантат будет прилегать к тканям человека, покрываются его же стволовыми клетками. Клеточная культура держится на матрице из гелеобразного альгината. После имплантации в организме запускаются восстановительные процессы, итогом которых станет полноценная кость.
Мочевой пузырь
Университет Уэйк-Форест, что в США, добился впечатляющих успехов в деле протезирования мочевого пузыря. Впрочем, творение американских учёных больше, чем биопротез. Это полноценный орган, который полностью выращивается в инкубаторе. После имплантации в тело пациента начинается растворение биополимера, и в финале останется только живая ткань.
Почки
Заболевания выделительной системы каждый год уносят много жизней. Почки непрерывно фильтруют кровь, очищая её от токсинов. Если этот процесс нарушен, организм буквально задыхается в собственных ядах. Технологии гемодиализа и плазмафереза отчасти позволяют решить эту проблему, но пациент остаётся лицом к лицу с необходимостью регулярно посещать диализный центр.
Почка имеет сложную внутреннюю структуру из клубков и петель. Казалось бы, создать подобную вещь невозможно. Учёные из Института регенеративной медицины категорически не согласны с этим.
Энтони Атала, профессор урологии, продемонстрировал полноценную почку, вышедшую из биопринтера, который использует метод струйной печати. Клетки пациента расположили на матрице. Матрицу создают на основе двумерных срезов, полученных методом магнитно-резонансной томографии.
Сердце
В когорте жизненно важных органов особенно выделяется сердце. Иногда его сравнивают с насосом, однако такая аналогия будет слишком грубой. Начнём с того, что сердце сложено из кардиомиоцитов — особых мышечных клеток, умеющих сокращаться разом. Цикл сжатия-растяжения регулируется через автономную нервную систему. Электрический импульс генерируется в синусовом узле. Он распространяется через пучок Гиса с его правой и левой ножкой.
| Можно какое-то время жить с отказавшими почками. А вот нарушения ритма и проводимости бывают фатальными, не говоря о всевозможных инфарктах. Сердце регенерирует плохо. Если какой-то его участок успел отмереть, этот факт уже не исправляется. |
Дополнительной проблемой выступают сложности в трансплантации сердца. Мало достать живой орган из тела уже мёртвого донора: его ещё следует сохранить до операции. Пересадка сердца тоже не простая. Для этого нужно поддерживать кровообращение пациента в условиях отсутствия главного насоса.
Биопечать не решает всех проблем, однако в перспективе может разрешить часть из них.
И снова тут отметился Институт регенеративной медицины Уэйк-Форест. В 2015 году там были получены жизнеспособные кардиомиоциты, которые неплохо бились в унисон. Следующее слово сказал Израиль. В 2019 году там сумели произвести полностью функциональное сердце.
Прорыв заключается в том, что израильские учёные создали первое в мире работоспособное сердце, а не просто его часть. Суть в том, что сердце — та же мышца, и для работы она требует непрерывного кровоснабжения. В природных условиях этим занимаются коронарные сосуды.
| По словам профессора Тал Двира:«это первый случай, когда кто-то и где-то разработал, спроектировал и напечатал целое сердце со всеми желудочками, камерами и кровеносными сосудами». |
Безусловно, этим вопросом учёные занимались и ранее. До прорыва Тал Двира уже существовали технологии создания аортального клапана, но часть сердца не способна сравниться по сложности с целым органом.
На данный момент искусственное сердце имеет размер крупной вишни и выступает, скорее, демонстрацией технологии. Тем не менее достижения команды из Тель-Авива дают надежду многим пациентам кардиологических клиник.
Заключение
О достоинствах биопечати сказано много. Может показаться, что в XXI веке медицина вплотную подошла к созданию панацеи от всех болезней. Конечно же, это не так. Биопечать выдвигает огромные требования к инженерно-технологической части. Обеспечить её могут лишь в странах с мощным промышленным комплексом. Информационные технологии развиваются с каждым часом, и помощь специалистов этой отрасли нужна медикам как никогда.
К тому же, биопринтинг столкнулся с проблемами правовой и этической базы. Аксиома в том, что любая перспективная технология будет дорогой и затратной не только по деньгам, но и по необходимым материалам. Подготовка кадров. Обеспечение технической базы. Данные аспекты неизбежно приводят к расслоению пациентов. Большая часть населения Земли так и останется в очереди на донорские органы, в то время как обеспеченные люди смогут продлевать свою жизнь.
Хорошая новость в том, что искусственные органы реже тестируют на животных. Но как быть с пациентами, получившими напечатанные трансплантаты? Последствия лечения показывают себя на долгом промежутке времени. Подводные камни методики можно выявить лишь путём рандомизированных и массовых клинических исследований. А ведь за каждой цифрой статистики стоит чья-то жизнь.
| Безусловно, эти вопросы решатся по ходу дела. Медицина стоит на пороге новой эры, и через 20, 50 или 100 лет она будет совсем другой. Прогресс нельзя остановить. В скором времени наша жизнь будет иной. Более долгой, здоровой и продуктивной. Остаётся лишь отдать дань уважения людям, которые работают на благо человечества и тех, кто нуждаются в помощи острее всего. |
Автор: Никита Игнатенко
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
Материалы:
1. Все изображения взяты из открытых источников и принадлежат их авторам.
2. Ken Doyle. Bioprinting: From Patches to Parts // Genetic Engineering & Biotechnology News. — 2014-05-14. — Т. 34, вып. 10. — С. 1, 34—35. — ISSN 1935-472X. — doi:10.1089/gen.34.10.02.
3. Dan Thomas. Engineering Ourselves — The Future Potential Power of 3D-Bioprinting. engineering.com
4. https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2015/03/nose-made-by-bioprinters.html
5. https://str.llnl.gov/march-2016/moya
6. https://iview.abc.net.au/show/catalyst
7. https://school.wakehealth.edu/research/institutes-and-centers/wake-forest-institute-for-regenerative-medicine
8. https://www.allevi3d.com/
9. www.cellink.com
