Фото с сайта www.fairsights.com
Что такое биопечать? Сотни тысяч людей, зависящих сегодня от донорских органов, то есть по сути от воли случая, смогут восстановить свое здоровье с помощью операции, поставленной на поток, не грозящей к тому же серьезными осложнениями.
В 1999 году профессор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Вейк Форест (Новая Каролина), произвел трансплантацию мочевого пузыря семерым пациентам, детям и подросткам в возрасте 4-19 лет с диагнозом расщепление позвоночника. Это сложный врожденный дефект, сопровождающийся, в том числе, нарушением функции мочевого пузыря, которое вносит серьезные ограничения в жизнь больного. Доктору Атале удалось не только вернуть юным пациентам нормальное качество жизни, но и продвинуть вперед одну из новейших медицинских технологий – тканевую инженерию. Дело в том, что пересаженные органы были био-искусственными.
Группа медиков сконструировала мочевой пузырь , засеяв каркас (формообразующую конструкцию из искусственного материала) живыми клетками, извлеченными из собственного мочевого пузыря пациента, а затем вырастив орган в специальной питательной среде.
Впрочем, это не единственный успех тканевой инженерии. Сегодня ей по плечу пересадка кожи и трахеи, созданных по той же технологии, которую использовал Энтони Атала для выращивания мочевого пузыря. Его рабочая группа, однако, работая над воссозданием 20 разных тканей и органов, столкнулась с серьезными ограничениями метода.
Прежде всего, большинство органов требует более высокого уровня точности в расположении клеток. Во-вторых, многослойные ткани пронизаны сетью кровеносных сосудов, которую тоже необходимо воссоздать для того, чтобы клетки не погибли без притока кислорода и питательных веществ, а это чрезвычайно сложная задача. И, наконец, «сборка» органа вручную – это трудоемкий, длительный и очень дорогой процесс. Что если попробовать его автоматизировать?
В 2011 году Энтони Атала впервые продемонстрировал публике на популярной конференции TED модель почки, напечатанную 3D принтером с помощью системы автоматизированного программирования. Заявление ученого-медика о том, что печатание спроектированных человеческих органов, когда принтер слой за слоем из живых клеток воссоздает ткань, является вполне реальной задачей, было встречено бурными аплодисментами.
Атала, однако, был не первым ученым, выдвинувшим идею биопечати. Пионером этого направления стал наш соотечественник, выпускник Ивановского медицинского университета Владимир Александрович Миронов, еще в 2003 году в соавторстве с американскими коллегами опубликовавший статью « Печать органов: компьютерная струйная 3D тканевая инженерия » (Organ printing: computer-aided jet-based 3D tissue engineering). Миронов в те годы занимался научными разработками в Центре биопринтинга Медицинского университета Северной Каролины. Сейчас американские предприятия, соучредителем которого он является, Cardiovascular Tissue Technology Inc и Organovo Inc. – мировые лидеры в разработке технологий биопечати.
Владимир Миронов подошел к идее биопечати, основываясь на способности живых клеток к самоорганизации . Если каждую живую клетку поместить строго на свое место, то нет необходимости во внешнем каркасе: клетки образуют достаточно прочную структуру.
Что же такое биопечать?
Трехмерная модель органа конвертируется в CAD-файл. Файл содержит точную информацию о местоположении, то есть своего рода адрес каждой клетки и каждого внеклеточного компонента органа или ткани, которые мы хотим воссоздать. Современный струйный принтер печатает со скоростью в несколько тысяч капель в секунду, и одна капля может соответствовать одной живой клетке. Способность клеток сохранять жизнь в процессе печати – уже доказанный факт.
Итак, принтер кладет один клеточный слой поверх другого, создавая таким образом ткань, а по завершении печати готовый орган необходимо поместить в специальную среду, которая обеспечит поступление кислорода, необходимого клеткам. Теоретически его можно трансплантировать пациенту.
Где же взять живые клетки для создания органа? Оказывается, их может поставлять сам пациент, нуждающийся в трансплантате. Для этого производится липосакция, то есть извлечение некоторого количества жировой ткани, из которой можно произвести индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, а затем дифференцировать их по назначению. Если мы хотим воссоздать почку, то стволовые клетки мы превратим в клетки почки. Эта технология уже отработана, есть машины для автоматического производства таких клеток.
Трансплантат, созданный из собственных клеток пациента, не вызовет реакции отторжения, и сотни тысяч людей, зависящих сегодня от донорских органов, то есть по сути от воли случая, смогут восстановить свое здоровье с помощью операции, поставленной на поток, не грозящей к тому же серьезными осложнениями…
Прекрасная перспектива. Однако реальностью она станет еще не скоро. Первая трансплантация почки, полученной методом биопечати, произойдет не ранее, чем через 15 лет. Так считают экспериментаторы, и, в их числе, профессор Шу Минген, возглавляющий группу ученых из Университета электроники и техники (Ханчжоу, Китай), напечатавших почки, способные жить в течение 4 месяцев . И хотя, по словам профессора, созданные ими живые образцы способны выполнять свою основную функцию, то есть расщеплять и выводить токсины, это все еще почки в некотором приближении, а не полноценный орган.
«Даже самая тонкая трехмерная печать из доступных сегодня не может воссоздать ткань в масштабе достаточно малом, воспроизвести тот уровень сложности, который присущ живым человеческим органам», – говорит Стюарт Вильямс, научный и исполнительный директор Института кардиоваскулярных инноваций (Луисвилль, США). Это же ограничение пока что не позволяет сконструировать тонкую сеть кровеносных сосудов, пронизывающих орган и необходимых для поддержания его жизни, хотя компания Organovo активно экспериментирует в этой области. Их специалистам удалось создать ткани, содержащие мелкие кровеносные сосуды диаметром 50 микрон и меньше (в одном миллиметре 1000 микрон), и это внушает оптимизм, однако самые тонкие сосуды имеют толщину всего несколько микрон.
Почка – особый орган. Порядка 80% пациентов, стоящих в очередь на трансплантацию, нуждаются именно в ней. И именно создание почки является настоящим вызовом для ученых, ведь это орган с очень тонкой структурой, соответствующей по сложности своей задаче фильтровать кровь и выводить токсины с мочой.
«Довольно трудно получить настоящую почку только при помощи трехмерного принтера. После печати ей необходимо будет создать условия для биологической активности и стимулировать ее к росту, пока она не достигнет своего реального размера и формы», – считает Кит Мерфи, исполнительный директор компании Organovo. Созданная на принтере тканевая заготовка должна будет дозревать в биореакторе.
Стюарт Вильямс, директор Института кардиоваскулярных инноваций, также считает почку достаточно сложным для воссоздания органом. Удивительно, но, оказывается, куда более простая задача – воссоздать сердце. «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати – сердце. Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой, – говорит он. – Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа – и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца». Некоторые сосуды, однако, так же как и клапаны, придется печатать отдельно, а затем собирать орган.
Идеальный орган для биопечати – печень с ее естественной способностью к регенерации. В октябре 2013 года компания Organovo объявила о том, что ее экспериментаторам удалось напечатать трехмерные тканевые конструкции, которые в течение 40 дней выполняли все функции печени, то есть фильтровали питательные вещества, токсины и лекарства. Это огромный шаг вперед по сравнению с их же апрельским достижением: тогда созданная ими печеночная ткань функционировала всего чуть больше пяти дней.
Итак, трансплантация напечатанных органов – дело будущего, но уже сегодня технология биопечати позволяет решать актуальные и интересные задачи. В 2014 году Organovo начало производство продукта 3D Human Liver («Человеческая печень 3D») для фармацевтической промышленности. Это позволит ускорить испытания лекарственных препаратов, которые обычно начинаются с экспериментов над животными. Исследование их действия на реальные человеческие ткани даст более точную картину, чем животная модель и позволит, наконец, освободить наших меньших братьев от роли подопытных.
Группа ученых под руководством Энтони Аталы недавно получила грант в 24 миллиона долларов от Министерства обороны США на реализацию проекта Body-on-a-Chip (« Организм на микросхеме »). Эту двухдюймовую модель организма, в которой миниатюрные живые органы будут соединены искусственной сетью кровеносных сосудов, можно будет использовать не только для испытаний лекарств, но и для изучения реакций человеческого организма на опасные инфекции, химическое и биологическое оружие. Над аналогичным проектом работает группа биоинженерных и фармакологических компаний Евросоюза.
Россия тоже не стоит в стороне. Первый трехмерный принтер для опытной печати органов в сентябре 2013 года был установлен в одной из Московских лабораторий. Российский проект финансируется пока что частным бизнесом, но есть надежда на то, что амбициозными задачами ученых и медиков заинтересуются и государственные агентства.
Источники:
Bioprinting: Directed Tissue Self-Assembly
Китайцы научились «печатать» почки на 3D принтере
3D-Printed Kidneys Take Small Steps Toward Organ Replacements
3D Printing Aims to Deliver Organs on Demand
3D-Printed Hearts From Human Fat Cells? Scientist Says ‘Bioprinting’ Organs Possible ‘In 10 Years’
