19.11.2021, 14:39
Развитие науки идет семимильными шагами. Еще в середине XX века пересадка донорских органов воспринималась как научная фантастика, и вот спустя полвека мы уже на пороге нового этапа: органы можно будет не только пересаживать, но и печатать в лаборатории из собственных клеток пациентов. О том, что представляет собой процесс биопечати, какие органы уже можно напечатать на Земле и даже в космосе, чем формативная печать отличается от аддитивной — в обзоре компании 3Д Биопринтинг Солюшенс.
Органные конструкты
В XXI веке технология 3D печати стремительно ворвалась в нашу жизнь. Напечатать можно всё, что угодно: сувениры, игрушки, детали и даже целые дома! 3D принтер слой за слоем наносит материал на подложку согласно заданной цифровой модели и создает трехмерный объект. А что же такое 3D биопечать? А это всё то же самое, только в качестве материала для печати используются живые клетки или клеточные агрегаты, а в результате получаются микроорганы или, как их называют ученые, тканевые или органные конструкты.
Такие конструкты можно использовать в самых разных областях: в медицине для регенерации поврежденных органов, в фармакологии для тестирования лекарственных и косметических средств, в биологии для научных исследований и в ряде случаев в пищевых технологиях для печати еды.
Биобумага, цифровая модель и материалы для биопечати
Процесс биопечати можно разделить на три основных этапа: подготовка (pre-processing), печать (processing) и пост-принтинг (post-processing). На первом этапе происходит моделирование будущего объекта и подготовка материала для печати. Цифровая модель может быть создана de novo (то есть с нуля) и определяться фантазией оператора, а может быть основана на данных магнитно-резонансной или компьютерной томографии. Материал для печати включает в себя живые клетки в роли биочернил, а также специальные гели (на водной основе) в качестве подложки, то есть биобумаги. Гидрогели могут быть натуральные (например, коллаген, фибрин или гиалуроновая кислота) или синтетические (например, полиэтиленгликольдиакрилат или полиакриламид), но они обязательно должны быть биосовместимы: клеткам должно быть комфортно внутри них. На втором этапе происходит послойная печать желаемого объекта с помощью биопринтера.
Однако только что напечатанный конструкт еще не готов для использования. Необходимо его «дозревание» в биореакторе. На этом этапе можно влиять на различные характеристики конструкта, задавая его механическую прочность, биологические и функциональные свойства.
Что напечатать сложнее?
Самое простое для биопечати — органы, представляющие собой двумерную ткань: кожа и хрящи. На втором месте идут органы в виде полых трубок: трахея, сосуды, пищевод, уретра и другие. И, наконец, сложнее всего напечатать паренхиматозные органы, такие как почки, печень, сердце, легкие.
На сегодняшний день ученые уже хорошо научились печатать кожу и хрящи, поскольку для их печати достаточно одного-двух типов клеток и можно использовать даже самый простой биопринтер. Существует уже достаточно много работ, описывающих биопечать трубчатых структур и их успешную трансплантацию лабораторным животным. В области печати паренхиматозных органов также достигнуты определённые успехи. Так, в 2017 году российскими учеными из »3Д Биопрнитинг Солюшенс» были напечатаны конструкты щитовидной железы мыши, которые продемонстрировали свою функциональность после пересадки мышам с гипотериозом (нарушением функции щитовидной железы, сопровождающейся пониженным уровнем гормонов).
Помимо создания тканевых и органных конструктов в лаборатории с целью их последующей пересадки пациентам, возможно и непосредственное замещение дефектов тканей и органов в процессе операции. Такой подход имеет ряд существенных преимуществ: отсутствует необходимость в биобумаге, поскольку печать осуществляется напрямую в раневое ложе, снижается риск контаминации (заражения) трансплантируемого материала, клеточный материал сразу попадает в естественное окружение, богатое различными факторами роста и содержащее сигнальные молекулы, способствующие формированию правильной структуры.
Однако, как и у каждого метода, у in situ биопринтинга существуют недостатки. Основной из них — высокая сложность печати на негоризонтальных поверхностях. Тем не менее, решение этой проблемы уже практически найдено. Классические биопринтеры, работающие на основе картезианской системы — вперед, назад, вверх, вниз, вправо, влево, — возможно заменить на роботизированные системы, имеющие несколько степеней свободы.
Это означает, что можно не просто осуществлять биопечать под разными углами на раневых дефектах неправильной формы, но еще и подстраиваться под дыхательные движения пациента.
Новейшие подходы
Все вышеописанное относилось к классической технологии биопечати, так называемой аддитивной биопечати. Но наука не стоит на месте. И недавно появилась новая технология — формативная биопечать. В чём же ее принципиальное отличие? А в том, что в этом случае сборка биообъекта осуществляется не послойно, а одновременно из всех строительных блоков, при этом нет необходимости в биобумаге.
Клетки или клеточные агрегаты слетаются вместе в определенную точку пространства и удерживаются в ней с помощью магнитного или акустического поля до тех пор, пока не произойдет их слияние между собой и формирование единой структуры. Такая технология уже была использована для сборки тканеинженерных конструктов не только на Земле, но и в космосе. Для этого в компании был разработан специальный магнитный биопринтер ОРГАН.АВТ, и в 2018 году на борту МКС космонавт Олег Кононенко провел успешную сборку тканевых конструктов хряща человека и щитовидной железы крысы.
Что же дальше?
В настоящее время происходит постоянное усовершенствование технологии биопринтинга, разработка новых методов и комбинирование их друг с другом. Создаются и перспективные материалы для биопечати, позволяющие имитировать структуру и свойства необходимой ткани. В совокупности с развитием персонализированной медицины это не оставляет сомнений, что через несколько десятков лет человечество научится печатать не только органные конструкты, но и полноценные органы из собственных клеток пациентов, и проблема нехватки донорских органов, а также их отторжения после трансплантации останется в прошлом.
Материал подготовлен 3Д Биопринтинг Солюшенс
