Печать кровеносных сосудов или 3d биопринтинг органов

Будущее 3D-печати органов

Луисвиллского университетаКорнелльского университета

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.

Печать

Головка 3D-принтера имеет три экструдера: две форсунки с гелем и устройство, выдающее тканевые сфероиды. В первой форсунке с гелем – тромбин, во второй – фибриноген. Оба геля относительно стабильны, пока не соприкасаются. Но когда белок фибриноген расщепляется тромбином, образуется фибрин-мономер. Именно им как бетоном скрепляются тканевые сфероиды. При глубине слоя, соответствующей диаметру сфероида, можно последовательно наносить материал ряд за рядом – сделали слой, закрепили, перешли к следующему. Затем фибрин легко деградирует в среде и вымывается при перфузии, и остаётся только нужная ткань.

Вот так будут печататься трубочки

Принтер печатает слоями по 250 микрометров: это баланс между оптимальным размером блока и риском гипоксии в сфероиде. За полчаса можно напечатать тканево-инженерную конструкцию 10х10 сантиметров – но это ещё не орган, а тканево-инженерная конструкция, «сопля» на жаргоне. Чтобы конструкция стала органом, она должна жить, иметь чёткую форму, нести функции.

Микроскоп с огромным фокусным расстоянием смотрит на стеклянный куб с 3D-принтером. 

Печатающая головка. Пока идут тесты комплекса на пластике. Принтер сейчас печатает расходный материал, пластиковые приспособления-молды для создания сфероидов. Параллельно идут тесты стерильного бокса для 3D-принтера при работающем электронном устройстве. 

90-е годы

В1992 году Карл Декард разработал первый в мире принтер для селективного лазерного спекания (SLS) . (Однако только в 2006 году принтеры SLS стали коммерчески жизнеспособными). В 1996 году начался процесс коммерциализации ColorJet Printing (CJP ) 3D Systems .

DTM Sinterstation 2000 — первый промышленный принтер SLS

В 90-е годы ученые пытались решать серьезные проблемы в области здравоохранения. И только в 1999 году был создан первый орган напечатанный на 3D-принтере (человеческий мочевой пузырь). Другие же разработки включали в себя изготовление функциональной миниатюрной почки , протеза ноги и биопечать первых кровеносных сосудов с использованием только человеческих клеток. Перенесемся в наши дни: 3D-печать является неотъемлемой частью производства медицинского оборудования (протезы конечностей, зубные протезы и т.д.). В операционных залах будущего может появиться 3D-принтер для печати костных тканей.

Ухо, напечатанное на 3D-принтере

Современные трудности

Их много, но никто не обещал, что будет легко. В конце концов, любая инновационная технология в свое время испытывала порой, казалось бы, неразрешимые проблемы и противоречия.

• К главным трудностям по-прежнему относится точное воспроизведение органа. Человеческий организм — настолько сложная система, состоящая из множества взаимосвязанных между собой разноуровневых элементов, что воспроизвести все это необычайно сложно.
• Во-вторых, проблема совместимости. Процессы отторжения ткани еще никто не отменял. Конечно, наиболее перспективно выглядит печать из непосредственно био образцов самого пациента.
• В-третьих, правовые и морально-этические проблемы. Некоторые виды трехмерной био печати предполагают не просто «выращивание» ткани, но и вскармливание целого зародыша (и человеческого, в том числе) ради получения одного лишь органа. Конечно, всерьез о таком способе никто пока не говорит, но технология уже опробована, например, на свиньях.
• Дороговизна — это в-четвертых. Ни о какой массовой печати органов не идет речи еще и по той причине, что это очень дорого. С другой стороны, когда-то и зубное протезирование было людям недоступно.

В дальнейшем технология биопринтинга будет только развиваться и дополняться. Сегодня ведутся разработки и в том направлении, чтобы сам человек выступал… в роли принтера. То есть при таком подходе каждый сможет для себя вырастить внутри собственного организма необходимый орган.

Первый 3D-принтер для биопечати: Organovo

Компания Organovo в 2010 году первой запустила печать человеческих органов. Сегодня специалисты компании активно занимаются попытками создать образцы печени, но их пока нельзя использовать для трансплантации. 3д печать органов по степени сложности превышает обычные устройства для трехмерной печати, однако общих черт у этих двух процессов немало:

• Применяются картриджи и печатающие головки,
• Вместо чернил используется биоматериал,
• Формирование органа ведется послойно на специальной рабочей поверхности.

Однако перед печатью каждая деталь проходит ряд проверок. Для начала сам пациент проходит процедуры КТ- сканирования и МРТ. Полученные результаты обрабатываются посредством компьютера, после чего создается макет – именно он используется в принтере, чтобы определить места и способы нанесения клеток. Биологические принтеры работают на основе человеческих клеток того органа, синтез которого проводится, или на основе стволовых клеток. Цельная структура органа получается благодаря специальному скрепляющему веществу, которое имеется в картридже.

Сразу после завершения печати созданный орган помещается в специальные условия в инкубаторе – это необходимо для того, чтобы клетки начали деление и синхронизацию в совместной работе.

Изготовление обуви

Первая пара обуви, напечатанная на 3D принтере, появилась в 2011 году благодаря стараниям шведских студентов. Сегодня трёхмерная обувь, напечатанная на принтерах, красуется на ведущих подиумах всего мира.  Существенным преимуществом такой обуви является точный учёт индивидуальных особенностей её владельца, включая размер и форму стопы.

Женская обувь, напечатанная на 3D принтере

Внешний вид 3D обуви существенно отличается от традиционной, поэтому она будет пользоваться спросом среди креативных молодых людей, которые хотят подчеркнуть свою индивидуальность.

3D принтеры научились печатать не только женскую, но и мужскую обувь. Студент Лондонского колледжа моды Росс Бербер в своей дебютной коллекции представил пять пар обуви, напечатанных на принтере.

Мужская обувь, напечатанная на 3D принтере

Для изготовления 3D обуви используют полиуретан, резину и пластик. Стоимость такой обуви пока слишком высока, чтобы наладить её массовое производство.

Процесс

Биопечать 3D извитых проксимальных канальцев почек на перфузионных чипах

Трехмерная биопечать обычно состоит из трех этапов: до биопечати, биопечати и после биопечати.

Предварительная биопечать

Предварительная биопечать — это процесс создания модели, которую позже создаст принтер, и выбора материалов, которые будут использоваться. Одним из первых шагов является получение биопсии органа. Распространенными технологиями, используемыми для биопечати, являются компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Для послойной печати изображений выполняется томографическая реконструкция . Теперь 2D-изображения отправляются на принтер для изготовления. После создания изображения определенные клетки изолируются и размножаются. Затем эти клетки смешиваются со специальным сжиженным материалом, который обеспечивает кислород и другие питательные вещества, чтобы поддерживать их жизнь. В некоторых процессах клетки заключены в клеточные сфероиды диаметром 500 мкм. Эта агрегация клеток не требует каркаса и требуется для помещения в трубчатое слияние тканей для таких процессов, как экструзия.

Биопечать

На втором этапе жидкая смесь клеток, матрикса и питательных веществ, известная как биочернила , помещается в картридж принтера и депонируется с использованием медицинских сканированных изображений пациентов. Когда пре-ткань с биопечатью переносится в инкубатор, эта пре-ткань на основе клеток созревает в ткань.

Трехмерная биопечать для изготовления биологических конструкций обычно включает в себя нанесение клеток на биосовместимый каркас с использованием последовательного послойного подхода для создания тканеподобных трехмерных структур. Было показано, что в искусственных органах, таких как печень и почки, созданные с помощью трехмерной биопечати, отсутствуют важные элементы, влияющие на организм, такие как работающие кровеносные сосуды, канальцы для сбора мочи и рост миллиардов клеток, необходимых для этих органов. Без этих компонентов организм не сможет получить необходимые питательные вещества и кислород глубоко в своем внутреннем пространстве. Учитывая, что каждая ткань в организме естественным образом состоит из клеток разных типов, многие технологии печати этих клеток различаются по своей способности обеспечивать стабильность и жизнеспособность клеток в процессе производства. Некоторые из методов, которые используются для трехмерной биопечати клеток, — это фотолитография , магнитная трехмерная биопечать , стереолитография и прямая экструзия клеток.

Пост-биопечать

Процесс после биопечати необходим для создания стабильной структуры из биологического материала. Если этот процесс не поддерживается должным образом, механическая целостность и функция 3D-печатного объекта находятся под угрозой. Для поддержания объекта необходимы как механические, так и химические воздействия. Эти стимуляции посылают сигналы клеткам, чтобы контролировать ремоделирование и рост тканей. Кроме того, в последнее время технологии биореакторов позволили быстрое созревание тканей, васкуляризацию тканей и способность выжить после трансплантатов.

Биореакторы работают либо для обеспечения конвективного переноса питательных веществ, создания микрогравитационной среды, изменения давления, вызывающего протекание раствора через клетки, либо для увеличения сжатия для динамической или статической нагрузки. Каждый тип биореактора идеально подходит для разных типов тканей, например, компрессионные биореакторы идеально подходят для хрящевой ткани.

Дизайн упаковки

Трёхмерные принтеры позволяют изготавливать пробные макеты упаковки, флаконов и бутылок оригинальной формы. Прототипы могут быть цветными, с включением всех элементов дизайна, в т.ч. этикеток, штрих-кодов, фирменных знаков. Готовые модели упаковки могут быть продемонстрированы заказчику перед запуском в массовое производство. Преимущество 3D прототипов налицо: заказчик может подержать упаковку в руках, оценить её фактуру, текстуру, цветовое оформление и некоторые другие характеристики.

Прототипы бутылок, напечатанные 3D принтером

Для изготовления пластиковых упаковок в настоящее время используют следующие 3D принтеры: Dimension uPrint, uPrint+, Elite, SST 1200ES; Fortus 400mc и 900mc. Для изготовления полупрозрачной и детализированной упаковки используются принтеры: Objet 24 и 30; Eden 250, 260V, 350, 500V; Objet 260 Connex, Connex 350 и 500. Для печати цветной упаковки лучше всего подойдут принтеры ZPrinter 250, 450, 650 и 850.

Технология 3D-биопринтинга

Основное отличие 3Д-биопринтинга от обычной технологии объёмной печати состоит в одновременной подаче нескольких субстанций в одну точку печати. При чём это не однородные материалы, как например с цветной печатью RGB, а разнородные, вступающие в определённую реакцию при смешивании. Традиционно используются для воссоздания органов:

• Взятые из органа реципиента клетки и выращенные в искусственных условиях.
• Органическое клеящее вещество, служащее в качестве каркаса для моделирования будущего органа.
• Стволовые клетки реципиента, способные обращаться в любые другие типы клеток.

Параллельно с созданием раствора, необходимого для воспроизведения заменяемого органа, строится его 3Д-модель. Оптимально, когда для этих целей используются данные МРТ. Ведь таким образом можно точно определить, какое положение и какую форму приобретает железа или тот же мочевой пузырь непосредственно в организме, чтобы не создавать конфликта с прочими органами.

На следующем этапе создаётся путём биопечати каркас будущего органа. Пока это всего лишь сфероидная модель, очень хрупкая и способная легко разрушиться вне лабораторных условий. Кстати, методов биопечати существует несколько и на каждый из них выдан свой патент.

Далее запускается процесс непосредственного формирования будущего органа. Выращенные идентичные клетки дают команду стволовым клеткам превратиться в подобные. При этом органический клей по сути выполняет роль питательной среды. Поглощая последнюю, стволовые клетки преобразуются в необходимый тип клеток и заменяют собой основу.

Архитектура

3D печать находит широкое применение в изготовлении архитектурных макетов зданий, сооружений, целых микрорайонов, коттеджных посёлков со всей инфраструктурой: дорогами, деревьями, уличным освещением.

На рисунке показаны макеты зданий, созданные с использованием трёхмерной печати.

Применение 3D печати в архитектуре

Для печати трёхмерных архитектурных макетов используют дешёвый гипсовый композит, который обеспечивает низкую себестоимость готовых моделей.

На сегодняшний день для 3D печати доступно 390 тысяч оттенков палитры CMYK, что позволяет воплотить в жизнь любую цветовую фантазию архитектора.

Для трёхмерной печати архитектурных моделей и прототипов чаще всего используются цветные 3D ZPrinter модели 250, 450, 650, 850 и чёрно-белые 3D ZPrinter модели 150 и 350.

Приближаемся к цели

Вообще, идея вставлять в человека заранее выращенный органический орган – отличная. Посмотрим на три варианта развития технологии:

1. Вы берёте каркас из неорганики, засеиваете его клетками – и получаете готовый орган. Метод грубый, но работающий. Именно про него речь в большинстве тех случаев, когда говорят «мы напечатали орган». Проблема в том, что где-то нужно взять «стройматериал» — сами клетки. А если они есть, то глупо использовать какой-то внешний каркас, когда есть возможность просто собрать орган из них. Но самая болезненная проблема – неполная эндотелизация. Например, для бронхов, сделанных так, уровень — около 70%. Это значит, что поверхностные сосуды тромбогенны – вылечивая пациента, вы сразу же привносите ему новую болезнь. Дальше он должен жить на гепарине или других препаратах, либо ждать, когда образуется тромб и эмболия. А здесь уже с нетерпением ждут юристы США, которые готовы отыграть по старому сценарию. И проблема эндотелизации пока не решена. Возможный вариант – выделение клеток-предшественников костного мозга с помощью мобилизации специальными препаратами и хомингом на органе, но это пока очень далёкая от практики фантазия.
2. Второй метод крайне оригинален и очень радует своей циничностью. Берём клетку (фибробласт) пациента, добавляем 4 гена. Кладём полученную клетку в бластоцисту (зародыша животного) и начинаем выращивать зверушку. Получается, например, свинья с человеческой поджелудочной железой – так называемая химера. Орган полностью «родной», только вся инфраструктура вокруг – кровеносные сосуды, ткани и так далее – от свиньи. А они будут отторгаться. Но ничего. Мы берём свинью, вырезаем нужный орган (свинья при этом полностью расходуется), а затем убираем с помощью специальной обработки все свиные ткани – получается как бы органический каркас органа, который можно использовать для выращивания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующий лафхак: давайте заменим свинью на суррогатную мать. Тут как: кроме 4 генов в клетку добавляется ещё один, отвечающий за ацефалию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает нашего общего друга-эмбриона. Он развивается без головы, у ацефалов это хорошо получается. Затем – УЗИ, выяснение, что ребёнок получается неполноценный, и юридически-разрешённый аборт. Нет головы – нет человека, значит, никого мы не убивали. И тут – раз! — у нас тут появился теоретически легальный биоматериал с неразвитым органами пациента. Быстро имплантируем их! Из очевидных минусов – ну, кроме моральной стороны – организационная сложность и возможные юридические осложнения в будущем.
3. И, наконец, есть третий метод, про который и идёт речь. Он же самый современный — трёхмерная печать органов. И именно им занимаются в новой лаборатории. Смысл такой: не нужны неорганические каркасы (клетки сами себя прекрасно держат), не нужно у кого-то брать органы. Пациент отдаёт немного своей жировой ткани (есть у каждого, в ходе экспериментов жаловались только тощие японцы), из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки. На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией. В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.

Очевидные сложные места метода следующие:

1. Получение модели органа. Нужно где-то взять схему. Это довольно просто.
2. Получение самих клеток. Очевидно, нам нужен материал для печати органа.
3. Сборка принтера, чтобы клетками можно было печатать (куча проблем с образованием структуры органа).
4. Гипоксия (отсутствие кислорода) во время создания органа.
5. Реализации питания органа и его созревание до готовности.

Итак, 3D-принтер – это только кусок линии по фабрикации органов: его нужно обеспечить чертежом, материалом, а затем полученную модель органа из клеток ещё вырастить. Теперь давайте посмотрим по шагам, как все описанные выше задачи решаются.

Что можно напечатать на 3D-принтере

В интернете полно подборок с инструкциями для печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких запчастей до скульптур. На «Хабре» уже три года назад постили список «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D написали о более масштабных проектах — печати автомобилей, оружия, солнечных батарей и протезов.

Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.

Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel. 

Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.

Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:

— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;

— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;

— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.

Успешные опыты

Мировая практика показывает, что, помимо мочевого пузыря, биоинженеры вполне способны реплицировать и другие внутренние органы человека.

1. 2014 год – биопротез костного фрагмента, команда учёных из Университета Суонси. Уникальность ноу-хау состоит в непосредственном воспроизведении биопротеза в операционной. За 2 часа воссоздаётся полный прототип костного фрагмента и вживляется реципиенту. После хирургического вмешательства должно пройти ещё 3-4 месяца, чтобы биочернила были заменены полностью клетками костной ткани.

2. 2015 год – биопротезирование хрящей, в частности – носовых, учёные из Цюриха. Полноразмерный имплантат фрагмента носа воссоздаётся буквально за 20 минут. Необходимо ещё 3 месяца, чтобы биополимер естественным образом заместился реальными клетками. По истечению данного срока внедрённый орган становится неотличим от родного.

3. 2016 год – щитовидная железа, российские учёные из технопарка «Сколково». Биопринтинг осуществлялся на 3Д-принтере российского производства. По отдельным характеристикам устройство оказалось более технологичным, нежели его иностранные аналоги. Щитовидная железа была взята в производство как наименее отторгаемый орган в организме человека. Примечательно, что первая пересадка органа в 1883 году была как раз заменой больной щитовидки на здоровую.

4. 2019 год – экспериментальное человеческое сердце размером с вишню, учёные Израиля. Пока это первый опыт, когда орган содержит клетки различных типов тканей. Сложность такого биоимпланта состоит в однородности начального материала – стволовых клетках – и разном конечном результате. Ведь необходимо чётко указать, на каком участке донорского органа стволовые клетки должны быть преобразованы в эндотелий, а на каком – в эпителий.

Биоинженерные лаборатории по всему миру не прекращают попыток воссоздать различные внутренние органы человеческого организма. Ряд экспериментов, что остаются за кадром, имеют отрицательный результат. Среди положительных попыток следует назвать следующие:

— Разработка исследователей из Медицинской школы Уэйк Форест по воссозданию фрагментов человеческой кожи. Предположительно, 3Д-биопринтинг будет проводится непосредственно на обожжённом участке поверхности тела. На сегодняшний день эксперимент даёт обнадёживающие показатели, но конечный результат ещё не достигнут.

— Разработка биомехаников из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса направлена на воссоздание фрагментов кровеносной системы. Особая сложность изысканий состоит в создании мельчайшей сети капилляров. Помимо уникального размера, сосуды должны оставаться жизнеспособными и обладать способностью к регенерации.

Самым востребованным органом к пересадке продолжает оставаться донорская почка. Ввиду уникальных особенностей строения данного органа, его воссоздание предполагают реализовать к 2030 году.

Цели биопринтинга

Больше всего в биопринтинге заинтересована трансплантология. Опыт практического применения в этой области пока мал, но индустрия постепенно развивается. Проще всего напечатать кожу (не составляет труда взять у человека образец кожного покрова), чтобы потом покрыть ею сильный ожог, например. Что же касается внутренних органов: пока это на стадии разработки и экспериментов на животных.

Органы и ткани сложно печатать, потому что они состоят из огромного количества самых разных клеток. Там и трубчатые структуры, и железистые тела, и хрящевидные элементы, поэтому миру придется еще подождать, прежде чем ученые с этим разберутся.

Развития биопринтинга ждет и текстильная промышленность. Речь идет о спортивных костюмах, которые уже сейчас шьются из биоорганической ткани с внедрением живых клеток. Такие «умные» костюмы подстраиваются под погодные условия (температуры воздуха, влажность) и не позволяют телу человека замерзать или потеть. С развитием биопринтинга получать биоткань будет проще и дешевле, чем сейчас.

Функционирование напечатанных органов

В Америке биопечать органов уже успешно протестировали на мышах. Им внедрили напечатанные яичники, после чего мышки смогли забеременеть и родить здоровое потомство. В Китае же опыты проводили на обезьянах, которым имплантировали кровеносные сосуды.

Что касается людей, то органы для них печатаются в пробном режиме. Есть результаты в виде носов и ушей. Они крохотные, но вполне себе настоящие. Зато активно развивается биокибернетика. В мире есть несколько человек, которые активно пользуются напечатанными протезами рук или ног.

А еще печать органов человека позволяет тестировать на них различные лекарства. Такой опыт был совсем недавно. В ноябре 2014 года в исследовательском институте Organovo (США, город Сан-Диего, штат Калифорния) напечатали человеческую печень, на которой проводили испытания по воздействию токсичных медикаментов.