Что такое биопринтинг? Многие ли вообще слышали это слово и понимают его смысл? Давайте немного пофантазируем. 2050 год. Люди научились растить человеческие органы в специальных инкубаторах. Человечество больше не боится болезней — ведь любой орган можно создать искусственным путем и пересадить… Еще несколько лет назад такой сюжет можно было встретить лишь в фантастических рассказах. Теперь благодаря технологии 3D-биопринтинга это почти реальность.
История биопринтинга
Технология биопечати довольно молода. О ней заговорили в мире благодаря Владимиру Александровичу Миронову — ныне научному руководителю российской лаборатории биотехнологических исследований и еще двум его коллегам из Государственного университета штата Вирджиния.
В 2003 году в одном из американских научных журналов он опубликовал статью, которая называлась «Органопринтинг». Тогда идею «печатать нас самих» в научном сообществе восприняли примерно как полет в другую галактику. Но спустя три года она была запатентована в США калифорнийской компанией Organovo.
К настоящему моменту рынок контролируется полутора десятками производителей. Наиболее известные из них — Organovo (США), RegenHu (Швейцария), nScrypt (США), Regenovo (Китай), Cyfuse Biomedical (Япония).
Сложно поверить, но уже сейчас ученые могут распечатать, скажем, кровеносный сосуд примерно так же, как электронный билет на поезд или дипломную работу. Созданные с помощью технологии тканевой инженерии ухо, кожа, трахея — все это реалии сегодняшнего дня. Причем это не протезы, а настоящие, состоящие из человеческих клеток, образцы тканей. А к 2019 году японские исследователи пообещали воспроизвести и пересадить человеку выращенную из его же клеток печень.
6 сентября 2013 года фонд «Сколково» объявил об открытии частной лаборатории биотехнологических исследований своего резидента компании «3D Биопринтинг Солюшенс», которая занимается практическим развитием технологий регенеративной медицины в России и реализует инновационный проект по разработке методов трехмерной органной биопечати. Открытие лаборатории состоялось при поддержке Департамента здравоохранения города Москвы. В ней работают всего 16 человек, включая исследователей и менеджмент.
В декабре 2014 был создан и презентован первый в России биопринтер, а уже в декабре 2015-го была организована первая удачная проба — был напечатан первый в мире органный конструкт щитовидной железы мыши, который прошел успешный испытательный срок.
Технология биопринтинга
Исполнительный директор лаборатории биотехнологических исследований «3D Биопринтинг Солюшенс» Юсеф Хесуани, предлагает разделить органы по сложности их печати на четыре группы:
Первая — это так называемые плоские органы, такие, как кожа, хрящи. Они имеют достаточно простую структуру, поэтому печать этих тканей ученые освоили одной из первых. Например, в Институте регенеративной медицины в Уэйк-Форесте (США) сделали биопринтер для замещения кожных дефектов. И надо сказать, при испытании на свиньях эта технология дает замечательные результаты, — говорит Юсеф. — Причем кожу они печатают непосредственно на объекте.
Выглядит это все следующим образом: их принтер достаточно большой, размером с комнату. Внутрь помещают свинью, у которой есть ранка на коже. Встроенный сканер изучает дефект, с помощью специального программного обеспечения и математического моделирования прибор определяет, сколько слоев кожи нужно наложить, чтобы закрыть ранку. Далее на раневую поверхность в несколько слоев наносится коллаген и собственные клетки свиньи.
Этот проект финансируется министерством обороны США. В отдаленной перспективе такие передвижные принтеры будут «латать» получивших раны или ожоги солдат непосредственно в районе боевых действий. Причем уже сейчас небольшой кожный дефект принтер может закрыть менее чем за час.
Кроме этого в Принстонском университете напечатали человеческое ухо, а в одном из институтов Цюриха — бионический нос. На изготовление последнего ушло всего 16 минут.
— Сразу уточню — говорит Юсеф — пока нет ни одного органа, напечатанного и пересаженного человеку. Даже если эксперимент дает очень хорошие результаты при испытаниях на животных, должно пройти еще 5–7 лет, прежде чем ученые смогут провести ту же операцию на человеке.
Вторая по сложности группа — это трубчатые органы, такие как трахея, мочеточник, сосуды. Здесь также ученым есть чем похвастаться. Например, в японской компании Сyfuse (Сайфьюз) удалось напечатать сосуд. Причем первые испытания, проведенные на свиньях, показали, что после пересадки он вполне жизнеспособен.
— Третья по сложности группа — полые нетрубчатые органы, например, мочевой пузырь, матка. Эта группа пока не напечатана, но разработки ведутся. В том же институте Уэйк-Фореста был воспроизведен мочевой пузырь, — говорит Юсеф.
Правда, создан он был по отличной от биопринтинга технологии. Вообще, если говорить о создании органов из живых клеток, существуют две методики: каркасная и бескаркасная. При каркасной у трупа берется орган, из которого вымываются все клетки. Остается только основа, болванка, которая потом засевается собственными клетками пациента. Созданные по такой технологии органы ученые еще называют призрачными. Именно таким способом был создан мочевой пузырь в институте Уэйк-Фореста.
— При таком подходе риск отторжения органа сведен к минимуму, но проблема нехватки донорских органов остается нерешенной. Нужен труп, из которого орган будет извлечен, — объясняет Юсеф.
Поэтому появились с этической точки зрения неприемлемые предложения. Например, растить органы в животных, например в свиньях, создавая так называемую химеру — животное с человеческой почкой или печенью. Потом орган изымают и используют в качестве каркаса.
Звучали и еще более циничные предложения, например, искусственным образом создавать ацефалов, то есть эмбрионов без головы. В процессе лабораторного зачатия в клетку добавляют ген, отвечающий за отсутствие головы у эмбриона. Затем находят женщину, согласную выносить такого ребенка. На позднем сроке беременности ей по медицинским показателям делают аборт, а необходимый для пересадки орган изымают, выхолащивают, засевают клетками пациента и пересаживают.
— Оба этих метода не выдерживают никакой критики с этической точки зрения. Метод же 3D-биопечати не требует каркаса — и это является одним из его плюсов, — объясняет Юсеф Хесуани.
Но вернемся к последней и самой важной группе органов, которые ученые пытаются воссоздать с помощью биопечати, — так называемым сОлидным органам. Это почка, печень, сердце, легкие. Они состоят из множества типов клеток, имеют сложную структуру. Но и здесь первые наработки уже существуют.
— Например, Дженнифер Льюис из Гарварда приступила к созданию нефрона — структурной единицы почки с использованием технологии трехмерной биопечати. А американская компания «Органово» напечатала трехмерный фрагмент печени. Для трансплантации он, естественно, не подходит, но может использоваться фармакологическими компаниями для исследования лекарственных препаратов, — перечисляет Юсеф.
Органы будущего
3D-принтеры вошли в нашу жизнь буквально за пару лет. С помощью этих приборов печатают детали оргтехники, мебель, сувениры. Есть специальные кулинарные принтеры, вместо чернил в которых используется, например, тесто или белковый крем. Недавно китайцам удалось напечатать на 3D-принтере настоящий дом. Функционирует этот прибор как обычный принтер, который установлен у каждого в офисе или дома. Но если первый печатает в двухмерном пространстве, то 3D — в трехмерном, то есть создает объемные объекты. В картриджи заливается не краска, а, например, жидкий пластик. Послойно нанося его, принтер печатает модель, которую ему задал компьютер.
Примерно так же работает и биопринтер. Но вместо пластика материалом для создания объекта служат живые клетки. Для функционирования обычного принтера нужны картридж с чернилами и бумага. Для биопринтера нужны биочернила и биобумага.
Если предельно упростить, то процесс биопечати происходит так. Сперва на компьютере делается модель будущего органа. Затем нужно изготовить биочернила. Многие могут подумать, что для этого используют клетки. И да, и нет. Печатает биопринтер тканевыми сфероидами — шарообразными конгломератами, которые содержат тысячи клеток. По сути, это уже микроткань, которую выращивают в лабораторных условиях.
— Почему мы не печатаем непосредственно клетками? Дело в том, что в нашем организме клетки прилегают одна к другой очень плотно, искусственным путем такого добиться сложно, — объясняет Юсеф — Но можно сперва создать некие кирпичики — сфероиды, а потом уже с помощью биопринтера класть их один на другой, выстраивая орган, как обычный дом. Но если сфероиды, имеющие форму шара, ничто не будет сдерживать, они просто разбегутся. Для скрепления этих частиц используется биобумага — гидрогель, который является подложкой, цементом для нашего дома-органа. При биопечати сперва выкладывается слой гидрогеля, на него — ряд сфероидов, потом опять гидрогель. И так в несколько слоев. Так получается органоид, а если проще — прототип органа.
Специалисты по биопринтингу просят не называть получившуюся конструкцию органом. Дело в том, что по принятой в физиологии классификации орган должен не только выполнять определенную функцию, но и иметь строго регламентированную форму. В данном же случае напечатанное с помощью тканевой инженерии сердце может получиться квадратным, а почка, к примеру, иметь форму параллелепипеда.
Головки принтера могут двигаться только в трех направлениях, а значит, напечатать уникальную форму сердца или почки со всеми изгибами, какими их создает природа, прибор пока не в состоянии. Поэтому моя задача — говорит Юсеф — взять натуральный орган, понять его конструкцию и адаптировать ее для биопринтера. Сделать упрощенную модель органа, но с теми же функциями, какие есть у природного. Если напечатанный конструкт будет выполнять предписанные природой функции, форма значения не имеет. Как сказал один хирург, «сделай мне хоть кубик, но если он будет обладать функциями почки, я его пересажу…»
Перспективы развития биопринтинга
Но есть еще две отрасли, никак не связанные с медициной, где биопринтинг активно внедряется. Это швейное производство и гастрономия. Да, в скором будущем мы сможем с помощью биопринтеров печатать отбивные и кожу для курток. Да что там в скором времени — первые такие проекты уже существуют. Есть компания, которая производит фрагменты кожи именно для пошива одежды. Пока это лишь небольшие кусочки живой материи — у принтера маленькая рабочая поверхность. Но увеличить ее — лишь вопрос времени.
Программу эту активно поддерживают «зеленые». Еще бы, ведь в этом случае не нужно будет убивать животных. Кроме того, для такой кожи можно будет задавать характеристики: нужна тонкая, лайковая, для перчаток — задаешь одну программу для принтера. Нужна толстая для ремня — другую.
А если можно напечатать кожу, можно и мясо. Более того, его уже печатают. Год назад в Лондоне был съеден первый гамбургер — котлета в котором была создана путем тканевой инженерии. Правда, стоила та котлета 300 тысяч фунтов. У американцев получилось напечатать мясо уже дешевле — за 100 тысяч долларов. Правда, вкус «биополуфабрикатов» пока далек от оригинального, возможно потому, что при печати использовались только мышечные волокна, а вкус мясу придает в том числе и жир.
Доживем ли мы до того времени, когда люди будут есть напечатанные на принтере котлеты, носить плащи из созданной с помощью биоинженерии кожи и менять себе органы? На этот счет есть два мнения. Эксперты в области биопринтинга и перспектив его развития говорят, что первые органы, которые будут получены методом биопечати и пересажены человеку, появятся к 2030 году. Но есть частное мнение некоторых ученых, которые считают, что это произойдет значительно раньше. В любом случае мы видим, что технология не стоит на месте, она развивается, появляется все больше ученых, занятых в этой сфере. Отрасль очень молодая — ей всего-то десять лет. И уже есть первые результаты. Это говорит о многом.
Источник — http://www.mk.ru/
