» » » На пути к 3-D печати органов


В течение многих лет ученые предсказывали, что 3-D печать, которая использовалась для изготовления игрушек, домов, научных инструментов, однажды может быть использована для печати части тела живого человека, чтобы смягчить нехватку донорских органов. До сих пор исследователи также использовали трехмерную печать в медицине и стоматологии для создания зубных имплантатов, протезов и моделей для хирургов, но многие исследователи вышли за рамки печати с использованием пластмасс и металлов – печати с использованием клеток, которые затем образуют живые ткани человека.

Пока еще никто не напечатал полностью функциональные, пересаживаемые человеческие органы, но ученые все ближе, создавая кусочки ткани, которые можно использовать для тестирования лекарств, и разрабатывают методы, позволяющие преодолеть трудности воссоздания сложной биологии организма.

Первые шаги

Первый 3D-принтер был разработан в конце 1980-х годов. Он мог печатать небольшие объекты, разработанные с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Проект фактически нарезался на слои толщиной всего три тысячи долей миллиметра. Затем принтер распространял этот дизайн на весь продукт.

Существовали две основные стратегии, которые принтер мог бы использовать для укладки рисунка: он мог выдавливать пасту через очень тонкий наконечник, печатая рисунок, начиная с нижнего слоя и работая вверх, при этом каждый слой поддерживался предыдущими слоями. Альтернативно, он может начинаться с контейнера, заполненного смолой, и использовать остроконечный лазер для отверждения частей этой смолы, чтобы создать твердый объект сверху вниз, который будет подниматься и удаляться из окружающей смолы.

Когда дело доходит до печати клеток и биоматериалов для создания копий частей тела и органов, применяются те же две стратегии, но способность работать с биологическими материалами таким образом требует участия клеточных биологов, инженеров, биологов развития, материаловедов и других.

До сих пор ученые печатали мини-органоиды и микрофлюидные модели тканей, также известные как органы на чипах. Оба имели практическое и теоретическое понимание функции человеческого тела. Некоторые из этих моделей используются фармацевтическими компаниями для тестирования лекарств, прежде чем переходить к исследованиям на животных и в конечном итоге к клиническим испытаниям. Одна группа, например, напечатала сердечные клетки на чипе и подключила его к биореактору, прежде чем использовать его для проверки сердечной токсичности известного лекарства от рака, доксорубицина. Команда показала, что частота биения клеток резко снизилась после воздействия препарата.

Тем не менее, ученым еще предстоит создать органы, которые действительно будут повторять множество структурных характеристик и функций тканей человека. «Есть ряд компаний, которые пытаются делать такие вещи, как уши с трехмерной печатью», и исследователи уже сообщали о пересадке таких ушей детям, у которых были врожденные дефекты, которые оставляли их уши недоразвитыми, отмечает Робби Боулз, биоинженер в университете штата Юта. По его словам, трансплантация уха является «первым подтверждением концепции трехмерной печати для медицины».

Боулз добавляет, что исследователи все еще находятся «вдали» от печати более сложных тканей и органов, которые можно трансплантировать в живые организмы. Но для многих ученых это и есть цель. По данным Объединенной сети обмена органами, по состоянию на февраль 2020 года более 112 000 человек в США ждут пересадки органов. Около 20 из них умирают каждый день.

Сосудистая сеть

Только в последние несколько лет исследователи начали продвигаться вперед с одной из самых больших проблем в печати трехмерных органов: создание сосудистой сети.

«Для того, чтобы любые клетки оставались живыми, [органу] нужно кровоснабжение, поэтому это не может быть просто огромным куском ткани», – говорит Кортни Гегг, старший директор по тканевой инженерии в Prellis Biologics. Это было признано одним из ключевых вопросов».

Марк Скайлар-Скотт, биоинженер Института Висса, говорит, что эта проблема «сдерживала тканевую инженерию на протяжении десятилетий». Но в 2018 году Себастьян Узел, Скайлар-Скотт и команда из Института Вайсса смогли напечатать крошечный, бьющийся сердечный желудочек с кровеносными сосудами. Через несколько дней после печати Узел пришел в лабораторию и обнаружил кусок дергающейся ткани, которая была «очень страшной и захватывающей».

Вместо того, чтобы печатать вены в слоях, команда использовала встроенную печать – метод, при котором вместо наращивания снизу предметного стекла материал выдавливается непосредственно в ванну или матрицу. Эта стратегия, позволяет исследователям печатать «свободную форму в 3-D», говорит Скайлар-Скотт, вместо того, чтобы печатать каждый слой один над другим, чтобы поддерживать структуру. Матрица в этом случае была клеточным материалом, из которого состоит желудочек сердца. Желатиноподобные чернила мягко выталкивали эти клетки, создавая сеть каналов. Как только печать была закончена, комбинация разогревалась. Это тепло заставило клеточный матрикс затвердеть, а желатин разжижиться, чтобы затем его можно было смыть, оставляя место для прохождения крови.

Но это не значит, что проблема полностью решена. У желудочка команды Wyss Institute были кровеносные сосуды, но не так много, как у сердца в натуральную величину. Гегг отмечает, что для того, чтобы действительно имитировать биологию человека, «отдельная клетка должна находиться в пределах 200 микрон от ближайшего сосуда. Все должно быть очень, очень близко». Это гораздо сложнее, чем то, что исследователи напечатали до сих пор.

Из-за препятствий с добавлением сосудистой сети и многих других проблем, с которыми все еще сталкиваются ткани, созданные в лаборатории органы не будут доступны для пересадки в ближайшее время. Тем временем, 3-D печать частей ткани поможет ускорить как фундаментальные, так и клинические исследования человеческого тела.