3D-принтеры — больше чем развлечение

3D-принтеры давно уже перестали быть диковинкой: с помощью них печатают различные фигурки и побрякушки, даже делают утварь для дома, но как оказалось, биопринтеры есть и в медицине. Ученые уже умеют «запечатывать» открытые раны, выращивать новые органы и распечатывать еду! Разберемся поподробнее, что это за принтеры такие, какие в них используют чернила и как они могут изменить жизнь.

Биопритинг — технология наращивания и синтеза объектов из живых клеток, в современной медицине это одно из наиболее перспективных и быстро развивающихся направлений. Главное преимущество «биопечати» — возможность в точности повторить структуру и состав органа (или организма в целом), а это поможет в тестировании новых лекарств и экспериментальном лечении заболеваний.

Начинали с малого — печатали простые структуры из биогеля с живыми клетками. Лишь намного позже биопринтинг стал использоваться для создания тканей и органов: учёные начали пытаться напечатать кровеносные сосуды, кожу и прототипы небольших органов.

К 2024 году врачи успели и провести операцию, в которой роборука с таким «биопринтером» заштопывала разрез, и изготовить имплантат уха, который успешно прижился и многое, многое другое. Но об этом позже.

Для начала давайте разберемся, как же работает эта штука.

Биопринтинг работает примерно как обычный 3D-принтер:

• Разрабатывают модель ткани или органа человека на основе МРТ.
• Берут клетки пациента, размножают их в инкубаторе или выращивают из стволовых клеток, и создают так называемые «биочернила» (так искусственный орган лучше приживётся).
• Биопринтер слой за слоем наносит «биочернила» на модель органа, которая изготовлена из специального биоразлагаемого геля.
• Та-дам, всё готово. Остался только «постпритинг» и сама операция.

«Постпритинг» нужен для того, чтобы распечатанная структура не развалилась и могла нормально функционировать. Её помещают в инкубатор, придают необходимые свойства, а также насыщают питательными веществами для развития клеток.

Работать со «свежераспечатанными» органами крайне тяжело из-за их сложной формы и многочисленных функций.К примеру, сердце. У него своеобразная структура ткани, а ещё это полуавтономный орган — сердце само создает электрические импульсы и практически всё время сокращается. Просто так создать искусственный орган из-под станка и вставить в организм живого существа не получится.

Но, несмотря на все сложности, кое-какого успеха учёные добились.

Успех биопритинга

Российские разработки

В России провели первую в мире операцию с биопечатью на пациенте. Врачи главного военного госпиталя совместно с специалистами из НИТУ МИСИС использовали биопринтер с роборукой, у которой было «компьютерное зрение».

У пациента была обширная рана в области плеча и лопатки. Рана глубокая, с переменным рельефом, что придавало особую сложность. Хирург забрал из костного мозга собственные клетки пациента. Затем эти клетки смешали со специальным гидрогелем на основе коллагена, который способствует регенерации тканей. Субстанцию биочернила поместили в шприц, который находился внутри биопринтера, а сам биопринтер с системой сканирования был размещен на конце роботического манипулятора роборуки.

Благодаря тому, что система сканирования учитывала дыхание и даже небольшие движения тела пациента, робот смог закрыть рану «биочернилами». Более того, он провёл биопечать без участия человека.

Главное отличие этой разработки от прочих биопринтеров в том, что использовались клетки самого пациента, без предварительного помещение в биореактор. По словам разработчиков: человек сам является лучшим биореактором.

Биопритинг используют не только на Земле: на МКС удалось создать прототип полых органов с помощью технологии 4D-биопечати.

Учёные решили проверить, что будет если использовать биопритинг в условиях космоса. Для этой цели они выбрали биопринтер «Орган.Авт». Его особенность— наложение биочернил одновременно с разных сторон, а не послойно, как у обычных биопринтеров. Эксперимент оказался успешным: учёным удалось первыми в мире получить хрящевую ткань человека и щитовидную железу мыши.

Космонавты-учёные проводили эксперимент так: в биопринтер поместили специальные сосуды с синтетической пластиной, поверх которой нанесли клеточный материал с эффектом памяти формы, и, при определённом воздействии, эти сосуды начали трансформироваться в полую трубчатую структуру.

И что же это даёт? Благодаря этому эксперименту появилась возможность создавать гибкие полые органы, которые можно подстраивать под любую часть тела. А если вдруг из-за внешнего повреждения орган деформируется, то его можно будет вернуть в первоначальное состояние и не бояться того, что он безнадёжно испорчен.

Никто в мире еще не проводил подобные опыты, ещё и в условиях космоса!

А как обстоят дела в остальном мире?

В Америке попытались создать искусственную нервную ткань. В основе образца лежат нейроны и глиальные клетки, которые выращены из стволовых клеток человека: напечатанная ткань растет и функционирует как мозг человека, может передавать сигналы и формировать нейтронные связи.

Американцы последовательно наносили несколько слоёв за раз, причем в слоях использовались разные типы клеток. В итоге получилась тонкая структура, которую можно насытить кислородом и питательными веществами. При этом, ткань достаточно прочная, чтобы сохранять структуру, и в то же время мягкая, что позволяет нейронам срастаться друг с другом и обмениваться сигналами.

Эту технологию могут использовать и в других лабораториях с биопринтерами, так как не нужно какого-то специального дополнительного оборудования.

В Южной Корее же ученые решили провести операцию по трансплантации напечатанной трахеи. Искусственные человеческие органы создавались и раньше, но с трахеей дела обстоят сложнее: загвоздка в структуре С-образных хрящевых колец, которые ещё и выделяют защитную слизистую оболочку. Но корейские исследователи смогли найти решение.

Специалисты из Университета Гачон последние 20 лет изучали вопрос частичной замены органа на основе 3D-биопечати с использованием столовых клеток. Они разработали 3D-биопринтер, который вводит в донорские клетки носа и ушного хрящ, синтетический стабилизатор, который создаёт прочные и гибкие органы, пригодные для пересадки.

Исследователи решили провести операцию на 50-летней женщине, которая потеряла часть трахеи из-за рака щитовидной железы. Для того чтобы понять, какая именно трахея им нужна, они предварительно сделали МРТ. Необходимую трахею создали за 2 недели, и операция прошла успешно. Удивило корейских учёных и то, что не потребовались иммунодепрессанты, а кровеносные сосуды начали формироваться на искусственной трахее.

Заключение

Биопритинг — направление, которое сильно ускорит развитие медицины: не нужны будут доноры, ведь новый орган можно будет создать из своих же клеток. Не страшны будут переломы, заболевания кожи и потеря конечностей: пришёл в больницу, тебе что-то напечатали, закрепили к телу, и идёшь дальше по своим делам.

Хотя уже сейчас врачи способны воссоздать при помощи биопритинга жизненно важные органы, нужно понимать, что это только экспериментальные разработки. Пройдёт ещё немало времени и клинических испытаний, прежде чем это станет доступно большой части человечества.