«В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?».
Большинство органов - сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Одна только печень выполняет более 500 функций. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях.
Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Леса, сделанные из биоразлагаемых полимеров или коллагена, обеспечивали временную матрицу для клеток, которые могли цепляться за них до тех пор, пока не стали бы достаточно прочными, чтобы держаться самостоятельно. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами.
Вскоре, при помощи 3D-принтеров, леса стали строиться более качественно. Но ручное размещение клеток на них осталось трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать.
«При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», - говорит Ю. - «Руки - плохой способ доставки клеток».
Печать почек
В Wake Forest группы Ю и Атала построили биопринтеры, которые работают быстрее, чем модифицированные печатные принтеры, и могут работать с большим количеством типов клеток, в том числе со стволовыми, мускульными и сосудистыми. Они также разработали один принтер, который одним махом может создавать сложные леса; сегодня он используется для создания сложных ушей, носов и костей.
Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Типы клеток по-разному реагируют на материал лесов, и чем сложнее орган, тем сложнее будет его рамка - и тем сложнее предсказать, как будут мигрировать клетки вокруг него. В результате, не все ученые считают, что леса необходимы, в том числе Габор Форгакс, соучредитель Organovo и биолог в Миссурийском университете.
План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. «Магия», - говорит он, - «начинается после того, как закончится печать». В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думают, что конечный продукт - свеженапечатанный клеточный материал - еще не готов.
Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собирая клеточные совокупности - крошечные сферы с тысячами клеток - в круг, сотрудники лаборатории наблюдают за тем, как они сливаются и формируют новую структуру. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Каскад биологических связей растет, и клетки сливаются в крупную структуру.
Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Технология трансформировала . «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», - говорит он. Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека.
Форгакс говорит, что инженерам не стоит размещать клетки там, где они должны быть в готовых органах. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции».
Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», - говорит Форгакс. - «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. Полумиллиметровая совокупность - это уже маленький кусочек ткани. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией».
Печать кровяных сосудов
С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Ученые Organovo уже сделали это с клетками сердца; и когда они сплавились, они бились в унисон, как сердце. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут.
Ученые Organovo сделали относительно надежную сосудистую систему путем печати наполнителя, вроде гидрогеля, между клетками ткани. Наполнитель позже извлекается, оставляя пустые каналы для клеток крови. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры.
«Основная задача - это создать очень маленькие капилляры», - волосовидные кровеносные сосуды, связывающие крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что этот вопрос разрешится в течение ближайших двух лет. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени.
Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. В нескольких шагах от «Далласа» размером с полхолодильника находятся биопринтеры «Руби» и «Зорг», украшенные фотографиями Криса Такера и Гэри Олдмана, соответственно.
В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. Однако важной вехой стала разработка подходящих инструментов, с помощью которых можно визуализировать и смоделировать весь процесс.
Напечатанные образцы кожи
Чего не хватает биопринтерам - и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере - сложное биологическое программное обеспечение. В случае с неодушевленным объектом - кофейной чашкой - 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. Но в медицине нет аналога этого сканера.
«МРТ не покажет вам, где находятся клетки», - говорит Липсон. - «Мы буквально бредем в темноте по чертежам. Это полбеды. Нет никакого «фотошопа» для перемещения клеток. И это не совпадение. Для этого нужно программное обеспечение. Вы не можете сделать программную модель печени. Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета».
Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. «Область, которую мы исследуем, необязательно будет иметь под собой экономическую базу, но она может появиться в ближайшие годы», - говорит Карлос Ольгвин, глава Bio/Nano/Programmable Matter Group Autodesk.
В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную CAD-оболочку, чтобы поспособствовать процессу конструирования. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. В конечном счете, исследователи хотят быть в состоянии проектировать клеточные совокупности на цифровом уровне, нажимая Enter, и спустя секунды видеть, что нужно изменить, а что останется в конце.
«В очень короткие сроки мы собираемся значительно сократить время, которое в среднем уходит на процесс биопечати. Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи».
Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. До сих пор нет никаких надежных способов оценить то, как препарат влияет на печень человека, пока он не будет принят - и испытания на животных особо не помогут.
«Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», - говорит Преснелл. - «Вы можете получить прекрасный ответ от крысы. А в реальности людям будет не очень хорошо».
Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. Исследования показали, что мыши помогли выяснить, как хорошо препарат для лечения гепатита C будет усваиваться людьми. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Проблема в том, что такие структуры созданы из нескольких толстых слоев клеток, что ограничивает сложность вопросов, на которые могут ответить ученые.
В следующем году Organovo начнет продажу образцов печени - пластинок наподобие чашки Петри, содержащих клетки печени, организованные в трехмерные структуры от 200 до 500 микрон толщиной (в 2-5 раз толще человеческого волоса). Потенциал рынка огромен. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени.
«Обычно люди делают так: очищают химикаты, принимают препарат, добавляют его к клеткам, смотрят на реакцию, анализируют, возможно, дают животным, а потом уже людям», - говорит Ли Кронин, химик из университета Глазго. - «Вместо того, чтобы делать образцы из пластика, мы распечатаем живой кусочек печени и посмотрим за реакцией в реальном времени. Вот это будет интересно».
Напечатанные кости
Если биопечатные образцы будут помогать фармацевтам получать лучшие данные, ускорится вся лекарственная промышленность. Более того, уменьшится потребность в испытаниях на животных.
Целью Озболата в университете Айовы является печать ткани поджелудочной железы для лечения. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа.
Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.
Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. Изменить жизнь самым коренным образом. В настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. И очередь постоянно растет. И дело не в том, что нет спроса. Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально.
Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов - частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Ранее ученые уже создали ухо, включающее наночастицы серебра, образующие спиральную антенну. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела - от кардиостимулятора до счетчика пульса.
Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Машина просто стала еще одним инструментом, который помогает человеку. Принтер может внести посильную лепту. Может поставить куски человека на место. Но, как отмечал Форгакс, никто не знает, почему эти куски делают то, что делают. Только жизнь знает. Пока что.
Первый биологический 3D-принтер, специально разработанный в расчёте на мелкосерийный, но всё же промышленный выпуск, открывает новые перспективы в области имплантации и восстановления органов и тканей. Таков результат сотрудничества американской компании Organovo и австралийской Invetech .
Вместо того чтобы пытаться вырастить в пробирке орган или кусочек ткани нужной формы и заданных свойств, куда эффективнее напечатать его на биопринтере, — полагают специалисты Organovo. В роли чернил такой аппарат использует запас культивированных клеток нужного типа (эпителиальные, соединительные, мышечные), а прецизионная печатающая головка под управлением компьютера выкладывает клетки (и вспомогательные вещества) в нужном порядке.
Собственно, первые впечатляющие опыты в данной сфере проводились ещё несколько лет назад. Над разными вариантами технологии печати органов и до сих пор работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Время от времени появляются трёхмерной биологической печати, отличающиеся нюансами в составе «чернил» и самом процессе формирования из них целой ткани.
Особенно преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории в университете Миссури, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Мы подробно рассказывали о развитии данной технологии , её первых крупных успехах и собственно создании Organovo — её Форгач основал как раз для коммерциализации своих разработок.
В результате появилась технология NovoGen, в которой продуманы все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части «железа». Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её «эскизам») строила компания nScrypt . Но это были устройства, необходимые для шлифовки технологии. Теперь же настало время серийного выпуска биопринтеров.
Как сообщает Organovo в своём пресс-релизе , в мае 2009 года она выбрала в качестве промышленного партнёра компанию Invetech. Последняя обладает более чем 30-летним опытом в проектировании лабораторного и медицинского оборудования, в том числе — автоматизированного и компьютеризированного.
А в начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность.
Новый принтер обладает такими скромными габаритами, что его можно спокойно поставить в биологический шкаф для обеспечения стерильной среды в процессе печати (фото Organovo).
Этот принтер обладает двумя печатающими головками. Одна заправляется целевыми «красками» (человеческие клетки печени, почек, стромальные клетки и так далее), вторая — вспомогательными материалами (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста).
Особая гордость австралийских инженеров — лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет считанные микрометры. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении.
Перед нами первый в мире именно серийный биопринтер, ведь уже в ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2010 году.
Ученые давным-давно «заболели» идеей о выращивании органов в лабораториях, однако существенных прорывов и достижений в этих исследованиях науке удалось достичь только в конце 90-х годов прошлого века, когда всеобщее внимание привлекла биопечать. Как пишет Engadget, благодарить за это стоит ученых из Института регенеративной медицины Уэйк Форест, первых подавших идею, создавая 3D-напечатанные синтетические строительные блоки, необходимые для выращивания человеческих мочевых пузырей. Как отмечает источник, на самом деле эти ученые не печатали мочевые пузыри. Это произошло только в начале 2000-х годов, когда биоинженер Томас Боланд из Университета Клемсона начал модифицировать обычные чернильные принтеры для возможности использования в них биологических чернил и создания из них трехмерных объектов.
В 2010 году появилась одна из первых в мире компаний, занимающихся биопечатью. Ей стала Organovo. К настоящему моменту Organovo научилась печатать и использует их для проверки новых лекарств и проведения новых исследований. Компания надеется, что в ближайшем будущем ей удастся создать полнофункциональную печень. Она проделала колоссальную работу над достижением этой цели, но пока еще не готова к финальному рывку.
Как это работает?
Здесь следует сразу внести ясность: несмотря на огромное различие в сложности между печатью органов и печатью обычных пластиковых предметов, оба процесса весьма похожи друг на друга. В обоих случаях используются специальные картриджи и печатные головки, которые выстреливают чернила (или биологический материал), накладывая их слой за слоем на платформу. Однако обе системы имеют несколько ключевых различий:
- Все мы знаем, как выглядит большинство наших органов, однако для возможности их воссоздания ученым необходимо сперва провести на каждом отдельно взятом пациенте КТ-сканирование или МРТ. После чего полученные данные обрабатываются в компьютере, и создается макет, который служит в качестве подсказки, куда и как необходимо слой за слоем наносить клетки.
- Вместо поливинилхлоридного пластика или металла биопринтеры используют в качестве чернил человеческие клетки того органа, который должен быть произведен. Эти клетки используются со специальным скрепляющим агентом, который позволяет создавать цельную структуру. Помимо использования клеток тех или иных органов, биопринтеры также могут использовать стволовые клетки, биоинженерные материалы (такие, как полимер альгинат, ранее использовавшийся, например, для производства ткани клапанов аорты) и другие субстанции, которые не будут отвергнуты человеческим организмом. Например, в 2012 году на 3D-принтере была создана титановая челюсть, которая впоследствии была успешно имплантирована 83-летней женщине. А с 2013 года в США живет мужчина с .
- После того как ученые печатают образец, его необходимо поместить в специальные инкубационные условия, для того чтобы клетки смогли делиться и работать сообща, как это происходит в случае настоящих живых органов.
И как раз последняя часть процесса является в большей степени причиной того, почему мы до сих пор не видим в наших больницах машин, производящих человеческие органы на замену.
В чем же проблема?
Согласно доктору Энтони Атале (руководителю группы ученых из Уэйк Форест, занимавшихся производством мочевых пузырей), проблема заключается сразу в нескольких аспектах. Первый аспект заключается в сложности поиска тех материалов, которые можно использовать для производства частей тела и заставить их впоследствии правильно расти вне тела. Вы не можете просто взять и пришить человеку только что напечатанный орган. Как уже говорилось выше, настоящие органы — это невероятно сложные механизмы. И если мы просто заставим клетки напечатанных копий этих органов делиться, то это совсем не означает, что эти клетки будут работать как и положено. Проблему комментирует биоинженер из Корнелльского университета Ход Липсон:
«Вы, конечно, можете просто правильно и в нужном месте соединить клетки сердечной ткани вместе, но где будет находиться кнопка для их включения? Сама магия заключается в печатном процессе».
Липсон также указывает, что до сих пор нет достаточно мощного программного обеспечения, которое бы подошло для создания идеальных и максимально точных моделей органов. А ведь этот этап является наиболее важным перед тем, как ученые будут приступать непосредственно к самой печати.
Помимо трудностей в создании 3D-печатных органов, чьи клетки вели бы себя как настоящие, ученые столкнулись с трудностью в воспроизводстве кровеносных сосудов. Органам нужны артерии, вены и капилляры для того, чтобы перегонять через себя кровь и доставлять питательные вещества, которые позволяют им оставаться живыми и здоровыми. Однако ввиду своей длины, толщины и формы все эти вещи очень сложно печатать.
Тем не менее никто не говорит, что ученые не стараются решить эту проблему. В этом июне, например, команда исследователей из Университета Бригама Янга использовала линейный полисахарид агарозу для производства шаблона кровеносных сосудов. Ученые из Института Фраухофера также ведут исследования в этом направлении с 2011 года. Гарвардский профессор Дженнифер Льюис занимается вопросом печати органов, которые уже бы имели специальные каналы для передвижения по ним крови и питательных веществ.
Будущее 3D-печати органов
За все время работы над этими вопросами наука все-таки смогла добиться хотя бы частичного успеха в печати органов. Частичного, потому что большинство из полученных органов оказались нефункциональными или смогли жить в течение всего нескольких дней. Например, та же компания Organovo создала миниатюрную человеческую печень, которая на самом деле могла работать как настоящая, за исключением одной проблемы — работать она могла не дольше 40 дней. Или взять ученых из , которые успешно напечатали клапаны сердца и меленькие вены в апреле этого года. Ученые этого учреждения надеются однажды создать полноценное функционирующее сердце. Не будем забывать и о биоинженерах из , создавших искусственное (отлично работающее, кстати) человеческое ухо из живых клеток и специального геля.
Со слов Аталы, примерно 90 процентов пациентов в списке ожидающих пересадки органов стоят в очереди на новые почки. Возможно, эта невеселая статистика еще сильнее стимулировала и подтолкнула китайских ученых на разработку маленьких напечатанных почек, но которые, к сожалению, могут оставаться живыми и работоспособными только в течение четырех месяцев. Атала тоже занимается поиском способов, которые позволили бы печатать почки на 3D-принтерах. В одном из своих последних публичных выступлений на медицинской и технологической конференции TED он даже показал неработающую модель этого воссозданного органа (посмотреть можно будет на видео ниже).
Во время этой же презентации Атала поделился историей об одной операции по пересадке выращенного в лабораторных условиях мочевого пузыря. Он рассказал о будущем медицины, где специальные сканеры будут изучать глубину и сложность травм, а затем печатать новую ткань прямо на пациенте. Однако чтобы дожить до этого будущего, в котором не будет нехватки новых органов и любой нуждающийся в них человек сможет себе их позволить, знания о биопечати тканей и органов должны прочно занять свое место в медицинских школах, колледжах, институтах и университетах.
3D-печать человеческого органа, возможно, когда-то станет медицинской рутиной. В компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» корреспондент ИТАР-ТАСС познакомился с достижениями отечественного биопринтинга.
Сотрудник Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс»
Три этапа биопечати
В лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» под стеклом ламинара (стерильного бокса) стоит устройство, на первый взгляд напоминающее обычный 3D-принтер: механические приводы, а картриджи в виде стеклянных трубок: в них «чернила». Принтер шуршит, разворачивает картриджи, что-то выдавливается на стеклянную подставку — постепенно появляется какая-то крошечная студенистая конструкция. В данном случае элементарной каплей чернил являются не просто клетки, а так называемые тканевые сфероиды — шарики микронного размера, содержащие в себе до 2 тыс. живых клеток необходимого вида. Учитывая, что орган состоит из клеток разных видов, картриджей тоже несколько. Биобумага, то есть место закрепления биочернил, — гидрогель.
«Обычным» 3D-принтером уже мало кого удивишь: он был придуман в 1985 году американцем Чаком Холлом. По прошествии трех десятилетий 3D-принтеры производятся серийно, их главное коммерческое применение на сегодня — печать объемных прототипов чего угодно, от зданий до самолетов. Есть и бытовые модели, которые позволяют вам распечатать, например, чашку. В медицине 3D-печать тоже давно применяется: в хирургии, стоматологии для изготовления протезов или имплантов. Но поистине революционными выглядят перспективы биопечати, следующей эволюционной ступени 3D-печати. Когда человечество научится печатать живыми клетками новые органы взамен изношенных, жизнь уже никогда не будет прежней.
Российский ученый Владимир Миронов задумался в 2003 году в университете Северной Каролины: а почему бы по точно такому же принципу, по которому 3D-принтер изготавливает полимерные конструкции, не воссоздавать биологические структуры, используя клетки вместо пластика в качестве «чернил». В том же 2003 он разработал общую технологию так называемого «органпринтинга» и выпустил статью, после которой в обиход и вошли термины «биопринтер», «биобумага», «биочернила». Сегодня Владимир Миронов - научный руководитель российской компании «3Д Биопринтинг Солюшенс», резидента кластера Биомедицинских технологий Сколково.
Глазом не видно, но, как мне объясняют, биопринтер оснащен еще и источником ультрафиолета: излучение необходимо для отвердения биодеградируемого гидрогеля.
«Заметьте, мы занимаемся не выращиванием, а ассемблированием, то есть сборкой органов. Все начинается с цифровой 3D-модели органа
- необходимо виртуально разрезать его на слои, задать
распределение клеток разного вида в этих слоях, предусмотреть
размещение полых внутри сфероидов, из которых образуются сосуды»,
- рассказывает Владимир Миронов. На экране видно, что именно
только что на моих глазах делал принтер: на основу гидрогеля
выкладывается слой шариков-сфероидов (разные цвета шариков —
разные клетки), дальше опять слой гидрогеля, а на него —
следующий слой сфероидов. А вот в объемной модели образовались
цилиндрические отверстия — это каналы сосудов. Напечатанная
конструкция — еще не готовый орган. Пока это просто именно
конструкция, в которой сфероиды клеток поддерживает находящийся
между ними гидрогель: отсюда и вид студня. Следующий этап —
созревание ткани, то есть срастание вместе сфероидов с одновременным выведением гидрогеля. Этот процесс происходит
в специальном биореакторе: небольшая камера, помещенная в поддерживающий необходимую температуру и влажность
шкаф-инкубатор. «То, что вы видели, это, собственно, и есть три
основных этапа сборки органа: создание цифровой модели, процесс
печати и созревание. Каждый из них сам по себе — отдельное
сложное направление изысканий», — замечает Владимир
Миронов.
Владимир Александрович Миронов,
научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований
«3Д Биопринтинг Солюшенс»
Клеточные технологии
Понятно, что каждый орган должен печататься из клеток, подходящих конкретному пациенту. Сырьем для изготовления «биочернил» являются стволовые клетки из трех источников. Из них можно вырастить клетки для любого органа. Первый, самый доступный — жировая ткань самого пациента. Другой источник — эмбриональные стволовые клетки. Клетки эти выделяются из пуповинной крови после родов и хранятся в специальных криобанках. Но мало кто из пациентов располагает таким запасом. Поэтому существует третий источник: индуцированные стволовые клетки, то есть с высокой степенью приближения, выращенные для пациента с использование донорских клеток.
«Мы не занимаемся производством алюминия — мы строим самолеты», — Владимир Миронов находит все новые слова, объясняя, что задача лаборатории — отработать технологию по сборке органов, а не заниматься получением клеток (для этого существуют специализированные компании). Тем не менее, элементарные клетки из жировой ткани получают прямо здесь. А главное, сфероиды для экспериментов производятся прямо в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс». Мне демонстрируют пластиковые формочки с сетчатой структурой для изготовления сфероидов. Сфероид — капелька в 200−250 микрон. Под микроскопом видно, что в оболочке шарика множество клеток. Изготавливаются сфероиды и вручную (наносятся пипеткой), и с помощью специальной, созданной в «3Д Биопринтинг Солюшенс» машинки: автоматизированную технологию пока отрабатывают.
Автоматизированный микрофлюидный способ масштабирования сфероидов обеспечит биопринтер чернилами для большого тканевого конструкта: 1 тыс. сфероидов в секунду.
Сотрудник
Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг
Солюшенс»
На пороге практики
В «3Д Биопринтинг Солюшенс» всего 16 человек, включая исследователей и менеджмент. По словам исполнительного директора Юсефа Хесуани, компания создана в начале 2013 года, и с этого времени в создание лабораторий и исследования вложены уже сотни тысяч долларов. Примечательно, что инвестором является известная сеть лабораторий «ИНВИТРО». Как заметил Владимир Миронов, обычно от идеи до готовой технологии проходит 15−30 лет. По его прогнозам, на поток имплантацию первых напечатанных на биопринтере органов (вначале сравнительно простых вроде щитовидной железы) поставят примерно в 2030 году. Простота или сложность органа определяется наличием разных «опций» вроде каналов, клапанов и прочих элементов, которые зачастую непросто напечатать. «В будущем же отделение „биопринтинга“ при каждой больнице будет таким же обычным явлением, как рентген-кабинет или операционная, — уверен Владимир Миронов. — Необходим какой-то орган — сразу на месте напечатали».
Однако монетизировать технологии биопринтинга можно, не дожидаясь этого светлого будущего. «Мы здесь создали первый российский коммерческий биопринтер — уже сегодня можем создавать такие под заказ. У нас есть заявки из разных стран», — рассказывает Юсефа Хесуани. Биопринтеры в мире стоят от $250 тыс. до $1 млн. Напечатанные на них биологические структуры используются, например, фармкомпаниями для тестирования новых препаратов. Созданный «3Д Биопринтинг Солюшенс» первый российский биопринтер отличается от иностранных аналогов, во-первых, особым решением для ультрафиолетового облучения, которое попадает на гидрогель, не задевая клетки. Во-вторых, это единственный многофункциональный принтер — сочетает все известные методы печати (клетками, сфероидами, в гидрогеле, без гидрогеля).
И, наконец, специалисты «3Д Биопринтинг Солюшенс» сделали свой принтер небольшим, то есть помещающийся в стандартный серийный ламинар — для западных аналогов обычно приходится заказывать отдельные ламинары, которые стоят по $20 тыс. «Мы собираемся заниматься совместными научными исследованиями на нашем принтере с научными группами со всего мира, работать над различными проектами, коммерциализация которых возможна, — рассказывает Юсеф Хесуани. — Выступать в качестве технологической площадки для испытаний биочернил и биобумаги, налаживать технологии биопечати, делать на заказ пробы материалов и т. д. В том числе, продавать наш автомат и формы для производства сфероидов».
Сегодня в мире меньше двух десятков компаний, имеющих готовые биопринтеры. Но мир верит в перспективы направления, которое сулит переворот в деле охраны здоровья: наладившая выпуск биопринтеров американская компания Organovo вышла в прошлом году на IPO с капитализацией $1 млрд. «Organovo отладила технологию от опытного образца до серийного за пять лет. Мы пройдем этот путь быстрее, — замечает Владимир Миронов. — В США свой последний биопринтер я делал полтора года, а здесь, в России, мы сделали за полгода. Также за полгода удалось наладить получение сфероидов: в бразильской лаборатории мы на это потратили два с половиной года».
«Проект по созданию 3D Биопринтера имеет две ступени коммерциализации. Первоначально принтер будет предлагаться для продаж science-2-science, и печать биологических тканей и моделей органов может использоваться для разработки лекарственных средств, — говорит Кирилл Каем, вице-президент фонда „Сколково“, исполнительный директор кластера биомедицинских технологий. — Мы рассчитываем, что, благодаря экосистемному эффекту, разработки „3Д Биопринтинг Солюшенс“ будут востребованы и другими резидентами „Сколково“. На второй ступени коммерциализации мы ожидаем, что успешное развитие системы позволит уже через несколько лет печатать органы для использования в клинической практике, в том числе и в Научно-исследовательском медицинском центре на территории „Сколково“. Проект „3Д Биопринтинг Солюшенс“ находится на передовом рубеже науки и практики. В мире всего пара десятков подобного рода разработок, при этом, в отличии от проекта резидента „Сколково“, достаточно большая часть из них ориентирована именно на печать тканей, а не цельных органов».
Владимир Миронов уверен, что уже в следующем году его команде удастся напечатать первый полноценный орган — щитовидную железу.
Совсем недавно в британском журнале The Economist была опубликована захватывающая статья про биопринтер, который будет использоваться для печати человеческих органов!
Хирурги, которые занимаются пересадкой человеческих органов, надеются, что однажды они смогут по первому запросу получить все необходимые для пересадки органы. Сейчас пациент может провести несколько месяцев, а возможно и лет, в ожидании органа от подходящего пациента. На протяжении этого времени его состояние может ухудшиться. Он может даже умереть. Благодаря искусственным органам, можно было бы не только облегчить страдания пациентов, но и сохранить человеческие жизни. Теперь, с появлением первого коммерческого 3D биопринтера, эта возможность может стать реальностью.
Создание биопринтера
Принтер стоимостью 200.000$ был разработан в результате сотрудничества двух компаний: Organovo, которая находится в Сан Диего и специализируется на регенеративной медицине, и машиностроительной Invetech, расположенной в Мельбурне. Один из основателей Organovo, Габор Форжак, разработал прототип, на котором основан новый 3D принтер. Первые рабочие образцы принтера скоро будут доставлены исследовательским группам, которые, как и доктор Форжак, изучают способы создания искусственных тканей и органов. В настоящее время большая часть этой работы выполняется вручную, при помощи существующих устройств.
По словам Кейта Мерфи, директора Organovo, вначале будут создаваться только простые ткани, такие как кожа, мышцы и небольшие участки кровеносных сосудов. Однако, сразу после окончания испытания тестовых образцов, начнется производство кровеносных сосудов для операций, когда необходимо «прокладывать» новые сосуды для движения крови чтобы обойти поврежденные. После дальнейших исследований, можно будет производить более сложные органы. Поскольку машины способны печатать сети разветвленных сосудов, можно было бы, например, создавать сети кровеносных сосудов, необходимых для снабжения кровью таких искусственно произведенных органов как печень, почки, сердце.
История развития биопечати
3D биопринтер, произведенный компанией Organovo, использует тот же принцип действия что и «обычные» 3D принтеры. 3D принтеры работают аналогично с обычными струйными принтерами, но печатают модель в трехмерном виде. Такие принтеры распыляют капельки полимера, которые сплавляются вместе, после чего образуют единую структуру. Таким образом, за каждый проход печатающая головка создает маленькую полимерную линию на объекте. В результате, шаг за шагом, предмет обретает свою окончательную форму. Полости в сложном объекте поддерживаются при помощи «подмостков» из специальных растворимых в воде материалов. Эти подмостки вымываются после того как объект будет полностью закончен.
Исследователи обнаружили, что аналогичный подход можно применить и к биологическим материалам! Если расположить крошечные участки клеток рядом друг с другом, они начинают как бы «сплавляться» вместе. В настоящее время исследуется ряд технологий, который бы позволил создавать человеческие органы из отдельных клеток, например, технология «накачивания» мышечных клеток при использовании маленьких машин.
Несмотря на то, что индустрия печати человеческих органов только зарождается, ученые уже могут похвастать успешными примерами создания человеческих органов «с нуля». Так, в 2006 году Энтони Атала, вместе со своими коллегами из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine в Северной Каролине, США, создали для семерых пациентов мочевые пузыри. Все они до сих пор функционируют.
Процесс создания мочевого пузыря происходил следующим образом. Вначале доктор брал крошечный образец ткани мочевого пузыря пациента (чтобы предотвратить отторжение новосозданного органа иммунной системой). Затем полученные клетки наносились на биологический мочевой пузырь, который представлял собой поддерживающую основу, имеющую форму мочевого пузыря нагретую до температуры человеческого тела. Нанесенные клетки начинали расти и делиться. После 6-8 недель мочевой пузырь был готов для имплантации пациенту.
Преимущество использования биопринтера состоит в том, что для его работы не нужна поддерживающая основа («подмостки»). Машина Organovo использует стволовые клетки, полученные из костного мозга. Из стволовых клеток можно получить любые другие клетки, используя различные факторы роста. 10-30 тысяч таких клеток формируются в маленькие капельки диаметром 100-500 микрон. Такие капельки хорошо сохраняют свою форму и прекрасно подходят для печати.
Итак, первая печатающая головка фактически выкладывает капельки с клетками в нужном порядке. Вторая головка используется для распыления поддерживающего основания - гидрогеля на сахарной основе, который не взаимодействует и не прилипает к клеткам. Как только печать закончена, полученную структуру оставляют на один-два дня для того чтобы капли «сплавились» друг с другом. Для создания трубчатых структур, таких как кровяные сосуды, вначале наносится гидрогель (внутри и снаружи будущей структуры). После этого добавляются клетки. Как только сформируется орган, гидрогель снимается с наружной части (как кожура апельсина) и вытягивается из внутренней части, как кусочек веревки.
В биопринтерах можно использовать и другие виды клеток и поддерживающих оснований. Так, по словам господина Мерфи, клетки печени можно наносить на заранее сформированное основание, имеющее форму печени или можно формировать слои из соединительной ткани для создания зуба. При этом новый принтер обладает такими скромными габаритами, что его можно спокойно поставить в биологический шкаф для обеспечения стерильной среды в процессе печати.
Некоторые исследователи полагают, что такие машины как эта, когда-нибудь смогут печатать ткани и органы прямо в человеческом теле! И, на самом деле, доктор Атала сейчас работает над принтером, который, после сканирования участка тела, где необходима пересадка кожи, сможет напечатать кожу прямо на человеческом теле! Относительно органов большего размера, доктор Форжак считает, что они могут принимать различные формы, по крайней мере, вначале. Например, для того чтобы очищать кровь, искусственная почка не обязательно должна выглядеть как реальная почка или функционально полностью повторять ее. Те люди, которые ждут органов, наверняка не будут сильно переживать из-за того, как будут выглядеть новые органы. Главное - чтобы они работали, а люди чувствовали себя лучше.
