Что такое органы печати
Когда мы сможем печатать новые органы на 3D-принтере
Миллионы людей в мире ждут своей очереди на пересадку органов. В одном только Китае в листе ожидания 1,5 млн человек, в США — 113 тыс., из них, в среднем, 20 человек в день умирают, так и не дождавшись донора. Новую почку — самый востребованный орган — приходится ждать от трех до пяти лет. Эту проблему можно решить: напечатав нужные органы на специальных 3D-принтерах.
Правда, не раньше, чем в ближайшие десять лет.
Как это устроено?
Принцип примерно тот же, что и в обычной 3D-печати: на специальном принтере мы получаем трехмерный объект.
Первый этап — предпринтинг: сначала создают цифровую модель будущего органа или ткани. Для этого используют снимки, полученные на МРТ или КТ.
Затем печатают, слой за слоем — эта технология называется аддитивной. Только вместо обычного 3D-принтера здесь специальный биопринтер, а вместо чернил — биоматериалы. Это могут быть стволовые клетки человека, которые в организме выполняют роль любых клеток; свиной коллагеновый белок или клеточный материал на основе морских водорослей.
Если клетки живые, их берут с помощью биопсии и подготавливают в биореакторе: пока они не размножатся делением до нужного количества. Во время печати биопринтер полимеризует клеточную структуру — то есть связывает ее с помощью ультрафиолетового света, нагревания или охлаждения. Клеточные слои связываются при помощи гидрогеля — органического или искусственного.
Затем полученную структуру помещают в биосреду, где она «дозревает» перед пересадкой. Это — самый долгий этап: он может длиться несколько недель. За это время структура стабилизируется, а клетки готовы выполнять свои функции.
Потом орган пересаживают и следят за тем, как он приживается.
Помимо обычных аддитивных есть и другие биопринтеры. Одни из них печатают коллагеном непосредственно на открытую рану: так можно быстро нарастить новую кожу даже в полевых условиях. В этом случае этап дозревания (постпринтинга) пропускают.
Есть также принтеры, которые печатают в открытом космосе, в условиях невесомости. В будущем их можно будет применять на МКС:
История 3D-печати
Кто выпускает биопринтеры и сколько они стоят?
В мире более 100 компаний, которые выпускают биопринтеры для печати 3D. 39% из них — в США, 35% — в Европе (из них больше половины — во Франции и Германии), 17% — в Азии, 5% — в Латинской Америке.
В России биопринтеры выпускает 3D Bioprinting Solutions, она же занимается исследованиями в области биопринтинга.
Помимо стоимости принтера, сам процесс печати — это еще плюс 15—20% от цены всего проекта. Еще дороже обойдется получение необходимого клеточного материала.
Почему напечатанные органы до сих пор не пересаживают?
Пока что самым успешным опытом оказалась пересадка хрящевых тканей — тех самых ушей китайским детям.
Небольшие кости из искусственных клеток печатают на принтере, а затем покрывают слоем. Их планируют пересаживать вместо сломанного или поврежденного участка, после чего они за три месяца полностью регенерируют. В будущем технологию хотят использовать для травм позвоночника.
Самое перспективное направление — 3D-печать кожи. Уже через пять лет обещают, что это можно будет сделать прямо на человеке, поверх или вместо поврежденного участка. Кожу и другие ткани печатают из клеток больных раком, чтобы протестировать различные варианты терапии.
Более сложные органы — такие как почки или сердце — пока что печатают только в виде прототипов или пересаживают мышам, но не людям.
Чтобы органы хорошо приживались и функционировали в организме человека, берут клетки пациента, а потом они делятся, пока их не будет достаточно для печати. Существуют целые институты, которые создают клеточные линии для биопринтинга. Но проблема в том, что у клеток есть предел деления, после которого они уже не пригодны для использования. Поэтому можно напечатать модель сердца, но не в натуральную величину — то есть оно не подходит для пересадки человеку.
Вторая проблема — в том, что напечатанный орган должен функционировать в связке с остальным организмом: переваривать пищу, выделять гормоны, доставлять кровь и кислород. За все это отвечает сложная система клеток, тканей, нервов и сосудов. Воспроизвести ее в точности пока что не получается.
Программное обеспечение для биопринтеров тоже на стадии разработки: чтобы довести его до совершенства, нужно обработать большой объем медицинских, клинических, статистических данных.
Наконец, технологии биопринтинга пока что никак не регулируются. Все исследования должны пройти все стадии тестов — в том числе на человеке, а потом — получения патентов.
Пока что эксперты прогнозируют внедрение технологий не раньше, чем через 10—15 лет. К тому времени биопринтеры и клеточные материалы станут широко доступными, и пользоваться биопечатью смогут даже в самых отдаленных регионах.
Что еще почитать:
Подписывайтесь и читайте нас в Яндекс.Дзене — технологии, инновации, эко-номика, образование и шеринг в одном канале.
Какие органы умеют печатать ученые
Пред тем, как начать читать статью, вы можете посмотреть мое видео на тему 3D печати органа.
Ежегодно в мире умирает тысячи людей, которые не смогли дождаться очереди на получение донорских органов. Даже в США в настоящее время своей очереди ожидают более 150 000 человек, и это число постоянно увеличивается.
Зарождения биопринтинга началось в 2000-м году, когда биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры для печати фрагментов ДНК. Оказалось, что размер человеческих клеток сопоставим с размерами капли стандартных чернил и составляет примерно 10 микрон. Исследования показали, что 90% клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В 2003 году Томас Боланд запатентовал технологию печати клетками. С этого момента печать органов на 3D принтере перестала казаться фантастикой. За два десятилетия частные исследования в лабораторных условиях превратились в стремительно расширяющуюся индустрию, которой подвластны печать ушных раковин, клапанов сердца, трубок сосудов, печени, мочевого пузыря, а также воссоздание костной ткани и кожи для последующей пересадки.
Для понимания всей серьезности такой технологии как билпечать, стоит начать с цифр. Если в 2007 году коммерческие инвестиции в биопечать могли привлечь около 6 миллионов долларов, то уже к 2011 году эта цифры выросла в 4 раза и составила свыше 24 млн. долларов. В 2018 году общее число инвестиций в технологию 3Д печати составила 10 миллиардов
Люку Масела тогда было 10 лет, диагноз расщепления позвоночника привел к повреждению мочевого пузыря. Врачи предложили два варианта, пожизненный диализ или же вырастить новый мочевой пузырь из его же собственных клеток. За два месяца из ста клеток пациента ученые создали полтора миллиарда. Дальше на каркасе из коллагена была создана инженерная конструкция: мочевой пузырь создавали путем наслоения новых клеток, принципом биопечати, сердцевина которого со временем растворилась, и он заработал, как обычный орган, прижившись благодаря клеткам самого Люка.
Будущий имплантат печатается 4-5 часов, затем окончательно формируется и вставляется под эпидермис.Команда Ататыл берется выращивать и кожу, первыми испытуемыми стали дети пострадавшие от пожаров, после пересадки напечатанной кожи, ученые несколько лет наблюдали за пациентами, в течении всего периода, новая кожа не трескалась, не лопалась и росла вместе с детьми.
Кроме кожи, ушей, в настоящее время возможно вырастить кровеносные сосуды, клетки некоторых органов, например печени, почек и даже легких. Эту технологию особенно ценят онкологи: на основе клеток пациентов можно воссоздать реакцию организма на разные виды химиотерапии и наблюдать за реакцией на тот или иной тип лечения в лабораторных условиях, а не на живом человеке.
На сегодняшний день это сделать невозможно, но, как мы видим, ученые со всего мира пытаются это реализовать. Биопечать простых органов уже доступна в США, Швеции, Испании и Израиле на уровне испытаний и специальных программ. Одна из самых зрелищных демонстраций технологии 3D-биопечати прошла в 2011 году, когда на конференции TED специальный 3D-принтер напечатал макет человеческой почки прямо во время выступления американского хирурга и биоинженера.
Как мы уже говорили, инвестиции в этой отросли растут и увеличиваются, тем самым стимулируя новые открытия. Биопечать имеет огромный потенциал и переломный момент самых важных открытий, по мнению многих ученых, уже близок. Нам с вами остается лишь дождаться момента, когда мы станем свидетелями великого научного, биологического и технического прорыва.
3D-печать человеческих органов: как это работает
«Кусочки сахара» и челюсть из них
Что же значит термин «тканевая инженерия» и откуда он взялся?
Прежде чем делать с нуля новые почки и сердце (чего мы пока не умеем), медицине предстояло освоить две задачи попроще. Во-первых, научиться воспроизводить твердые ткани – кости. И во-вторых, научиться воссоздавать большие куски тканей для «залатывания» тяжелых травм.
С этим к настоящему моменту дело обстоит довольно неплохо. В обоих случаях применяются «биодеградируемые материалы». Они не остаются в организме навсегда, а составляют основу, заселяя которую, стволовые клетки человека постепенно восстанавливают ткань. При этом сама «заплатка» попросту рассасывается.
Первым делом корреспондентам «МИР 24» показали нечто, похожее на «кусочки сахара» в колбах. Как оказалось, это – запасы материалов или препаратов, из которых формируется заменитель кости у человека. «Белые вещества» могут быть как из натуральной кости, так и из синтетических полимеров, таких как полилактиды и полигликолиды.
Напечатанная под управлением компьютера на 3D–принтере костная ткань по своей структуре может как полностью воссоздавать утраченный фрагмент кости, так и создавать другие конструкции, подходящие для обеспечения процесса ее восстановления.
С воспроизводством мягких тканей дело обстоит сложнее. Однако за последние десять лет ученые существенно продвинулись и в этом направлении.
Из чего делается «биобумага»
Суть метода «биопечати» в данном случае в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и «матрикса», моделирующего условия межклеточной среды и соединительной ткани.
Источником клеток могут стать как донорские, так и собственные стволовые клетки человека, выделенные, например, из жира или костного мозга. Они могут быть превращены в различные типы клеток и тканей под воздействием биологически активных веществ.
«Биобумагой для биопринтера» ученые называют искусственную среду, в которой смогут расти живые клетки будущих органов. Она образуется из белков, полисахаридов и других биоактивных веществ и представляет собой гидрогель, который можно заправлять в биопринтер вместе с клетками, либо тонкую пленку, на которой можно печатать клетки.
Галина Анатольевна набирает в один шприц белок коллаген, а в другую – полисахарид (метилцеллюлозу). И капает из обоих шприцов в чашечку Петри. Происходит реакция, в результате которой в чашечке образуется бесформенная «пенка» или пленка. Бумагу она напоминает весьма относительно – впрочем, что-то вроде кусочка рельефных обоев или линкруста. Это гель «полимеризуется».
Вот прототип той «подложки», куда станут слой за слоем наращивать клетки будущих органов. Она сможет образовывать трехмерные объемные структуры этих органов, а затем, сыграв свою роль, рассосется в организме. Пока ничего сногсшибательного с виду не напоминает.
Бумага нужна всем печатникам
Технологии биопечати различаются, но без матрикса, обеспечивающего адекватное микроокружение для жизни клеток и формирования тканей в обоих случаях не обойтись. В Пущино разрабатывают «бумагу», как для струйного, так и для лазерного принтера, адаптируя характеристики гидрогелей к особенностям технологии биопечати.
В принципе, пользуясь методами биопринтинга в отдаленном будущем, возможно, удастся собирать орган, как пазл, из отдельных клеток и матрикса. А в ближайшем будущем напечатанные таким образом кусочки тканей станут новой моделью для тестирования новых лекарств.
Сверхзадача, которую ставят ученые на будущее – научиться наращивать ткани прямо на поврежденном месте. Тогда вместо громоздкого принтера будет использоваться инструмент вроде пистолета, из которого на тело пациента станут наносить элементы гидрогеля с клетками, которые прямо на человеке будут полимеризоваться, формируя новую ткань.
Бионическое бессмертие. Какие органы может напечатать 3D принтер человеку?
В середине 2000 года доктор Энтони Атала, детский регенеративный хирург и биоинженер, начал работу над печатью органов с помощью 3D-принтера, а в 2001 году первый напечатанный орган – мочевой пузырь был успешно пересажен пациенту.
Давайте посмотрим, какие органы можно напечатать сегодня.
Хрящевая ткань
Для биопечати носа потребуется не более 20 минут. По желанию можно даже скорректировать размер и форму будущего органа. По этой же технологии изготавливаются уши и хрящи коленного сустава, причем мировая медицинская практика уже широко использует эти возможности.
Кости
Еще в 2017 году в Австралии впервые вживили напечатанный на 3D-принтере каркас большеберцовой кости. Сегодня же ученые активно заняты изготовлением костных конструкций с сосудистыми сетями. Такой протез функционально полностью заменяет человеческую кость.
Кожные ткани давно создаются invitro, что означает вне живого организма. В 2020 году ученые уже начали использовать принтер, печатающий кожу непосредственно на ожоговой ране. Во многих европейских странах биотехнологии используют как в дерматологии, так и в пластической хирургии.
Мочевой пузырь
В 2001 году американский биоинженер Энтони Атала спас жизнь мальчика, вырастив новый орган из клеток пациента. Сейчас повзрослевший Люк живет полноценной жизнью и профессионально занимается спортом.
Почки
Пока Команда Уэйка Фореста продолжает разрабатывать полноценный прототип человеческой почки, «Форбс» оценивает операцию по трансплантации напечатанного органа в 10 000 долларов, что значительно дешевле типичной донорской пересадки, которая в среднем стоит 330 000 долларов.
Печень
Мини печень напечатали в Китае и успешно имплантировали ее крысе. Как только это станет доступно человеку, мы расскажем.
Поджелудочная железа
А вот мини поджелудочная железа с полным комплексом сосудов была создана в Польше. Полномасштабный бионический орган планируют использовать в борьбе с сахарным диабетом.
Интересный факт!
В 2019 году ученые из лаборатории профессора Таля Двира в Университете Тель-Авива, наконец, смогли напечатать настоящее сердце. Этот прототип размером с вишню и подходит разве что кролику. Однако ученые заявляют, что в ближайшие 10 лет смогут напечатать подходящий орган и для человека.
Разработки в области трансплантации и смежных сфер дают нам понять, что бионическое будущее не за горами. Человечеству только надо определиться с вопросами морали и этики, проведя четкую границу, что можно и нельзя делать с телом человека. Вот, к примеру, слышали ли Вы о планах британского нейрохирурга Брюса Мэтью трансплантировать целую голову? Интересно, что в научных кругах активно обсуждается не столько фактическая возможность, сколько этичность подобной операции. Но это только планы, посмотрим, что будет дальше.
А вот искусственная матка, изначально созданная для поддержания жизнеспособности недоношенных младенцев, рождает много сенсационных сценариев о выращивании в ней младенца из эмбриона. При этом сам изобретатель Алан Флейк отрицает такую возможность, но выражает беспокойство, если кто-то попытается использовать его разработки для подобных целей. А что Вы скажете о границе добра и зла, в связи с этим?
Что такое 3D биопечать. Печать органов на 3D принтере.
3D биопечать — это процесс аддитивного производства, в котором биоматериалы, такие как клетки и факторы роста, объединяются для создания тканеподобных структур, имитирующих естественные ткани человека или животного.
В технологии используется материал, т.н. биочернила, для создания биоструктур послойно. Методика широко применяется в медицине и биоинженерии. В последнее время технология достигла определенных успехов в производстве хрящевой ткани для использования в реконструкции и регенерации таких органов как нос, ушные раковины, связки, кожные покровы и т.д.
Процесс в основном включает в себя подготовку, печать, созревание и нанесение. Это можно свести к трем ключевым шагам:
Биочернила для Биопринтеров
Биочернила — это материал (филамент ), используемый для производства инженерных (искусственных ) живых тканей с использованием технологии 3D-печати. Он может состоять только из клеток, но в большинстве случаев также добавляется дополнительный материал-носитель, который обволакивает клетки. Этот материал-носитель обычно представляет собой биополимерный гель, который действует как трехмерный молекулярный каркас. Клетки прикрепляются к этому гелю и это позволяет им распространяться, расти и размножаться в этой среде.
Важно отметить, что гель также может обеспечивать защиту клеток от негативного воздействия во время процесса печати. Его настолько важно, что термин «биочернила » часто используется для описания одного материала-носителя, независимо от клеток, которые могут размножаться на нем.
Биочернила — это гели
Важной характеристикой биополимера (или смеси биополимеров) является его способность удерживать воду, что делает его гидрогелем. Этот гидрогель играет преобладающую роль в механической стабильности структуры ткани.
Здесь мы более подробно рассмотрим состав полимера, лежащий в основе биочернил в системах на основе экструзии.
Консистенция биочернил
Чтобы изготовить деталь в FDM принтере, мы используем температуру, чтобы использовать фазовые переходы в термопластах. Мы переводим их из твердого состояния в расплавленное, когда нить проходит через экструдер. А затем пластик снова становятся твердыми по мере остывания. Точно так же биочернила должны пройти некоторую форму фазового перехода, которая обеспечивает их точное распределение в пространстве.
И термопласты, и биочернила сделаны из полимеров. Полимеры в биочерках должны быть способны образовывать гель довольно прочной консистенции, так как это обеспечит высокую устойчивость напечатанной 3D модели.
Однако полимеры в геле не могут образовывать очень плотную и жесткую ткань, она должна достичь оптимальной консистенции в своих свойствах и должна обеспечивать печать с высокой точностью, но при этом должна быть достаточно «гибкой », чтобы учитывать распространение питательных веществ и движение клеток.
Чтобы достичь этого, необходимо контролировать химические или физические факторы, которые позволяют гидрогелям претерпевать эти фазовые переходы. Кроме того, это должно происходить при одновременном сохранении живых клеток в процессе печати.
Структура биочернил
Одна из возможностей контролировать гелеобразование — это температура. Это верно, например, для желатина, который является основным материалом для некоторых биочернил.
Как и в FDM, экструдер может включать нагревательный элемент, который немного увеличивает температуру. Главное — частично расплавить полимер, позволяя ему пройти через сопло.
Естественно, температура биочернила в экструдере не может быть слишком высокой, иначе клетки погибнут. Это означает, что не все полимеры подходят для использования в качестве биочернил для биопринтеров.
Разжижение при сдвиге
Другие формы индуцирования так называемого фазового перехода основаны на явлении, известном как «разжижение при сдвиге». Некоторые гели становятся более жидкими, когда они испытывают напряжение.
Одним из примеров является натуральный йогурт, который имеет консистенцию плотного геля, пока вы не решите его смешать. После нескольких оборотов ложки весь этот сдвиг, вызванный движением ложки, делает йогурт более жидким. Однако не все гели ведут себя так. Напрмир желатин для этого не подойдет.
Биочернила, предназначенные для использования в технологии разжижения при сдвига, экструдируются через узкую насадку благодаря давлению в резервуаре. Сдвиг вызывается трением геля о стенки игольчатого сопла. Повышенная текучесть геля позволяет использовать его для печати.
Когда биочернила попадает на платформу для печати, она перестает испытывать давление. Таким образом, напряжение сдвига резко падает, что приводит к быстрому загустению. Поскольку этот метод не требует повышения температуры, он обычно наиболее безопасен для клеток.
Однако напряжение, испытываемое материалами, когда они проталкиваются через систему экструзии, часто отражается на здоровье клеток. Здесь вязкоупругие свойства геля помогают уменьшить силы сдвига, которые вызывают деформацию клеток. Гель действует так же, как амортизаторы, смягчающие езду на неровной дороге.
Клетки поедают свое окружение
Безопасная доставка клеток через сопло в печатную платформу — лишь одна из задач биочернила. Другой — служить источником пищи для клеток.
По мере того, как клетки растут и размножаются, они обычно изменяют свою среду. Они принимают вещества, обнаруженные снаружи, метаболизируют их, а затем выделяют другие.
Фактически, многие из веществ, которые клетки производят и выбрасывают, не обязательно являются эквивалентами токсичного материала, от которого им необходимо избавиться. Вместо этого они также заботятся об окружающей среде. Они также перерабатывают его и производят матрицу веществ, которые окружают их и увеличивают их шансы на выживание.
Химический состав биочернил
Часто биочувствительные элементы полагаются на комбинацию нескольких полимеров для достижения своего рода золотой середины, в которой соблюдаются химические, физические и биологические ограничения. Вот небольшой список полимеров, которые используются в биочернилах:
Список компонентов биочернил вполне соответствует материалам, которые вы можете использовать в FDM-печати. От белков, участвующих в свертывании крови, до целлюлозы или шелка, вы также можете добавлять чисто синтетические материалы, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ ), плюроник или различные метакрилаты. По мере развития исследований и разработок в области 3D-биопечати и дальнейшего развития интереса к персонализированной медицине мы можем ожидать, что рынок биочернил значительно расширится в течение следующих нескольких лет.
Как работает биопечать и биопринтер
Существует несколько методов биопечати основанных на экструзионных, струйных, акустических или лазерных технологиях. Несмотря на различные виды, типичный процесс биопечати состоит из более или менее стандартной серии этапов:
Применение биопечати
Вот несколько основных областей применения биопечати:
Биопечать можно использовать и в других сферах, в том числе в производстве таких продуктов питания, как мясо и овощи.
Заключение
Из вышесказанного ясно, что 3D биопечать будет только развиваться. Она, несомненно, оправдает свою ценность как с моральной, так и с этической точки зрения. Надеемся, что с использованием этой технологии, любому человеку на нашей планете будут доступны, в любой момент времени, органы которые потребуют замены, сердце, почки, печень, легкие, костная ткань, зубы, кожный покров, артерии и будут обладать очень низким риском отторжения.