Photo
Биология

3D-печать искусственных органов – реальность



5 марта 2022

Ежегодно во всем мире производится 100 000 репродуктивных органов и более 200 000 клеток. Из них около 26 тысяч приходится на трансплантацию почки, 2,7–4,5 тысячи – сердца, 8–10 тысяч – печени, 1 тысяча – поджелудочной железы, 1,5 тысячи – легких. Соединенные Штаты являются мировым лидером по проводимым операциям по трансплантации.

Нехватка донорских органов, экстренное послеоперационное удаление, время ожидания операции, высокая стоимость традиционной трансплантации и проблемы с иммунными донорскими клетками создают необходимые условия для получения безопасной и экономически эффективной замены – искусственных органов.

Современные методы диагностики позволяют получить немедленный доступ к информации о микроанатомии человека. Поэтому компьютерная томография или магнитно-резонансная томография, ровно как и поперечные и продольные срезы частей тела позволяют контролировать поверхность органов и фокусировать и идентифицировать заболевание. Внекомпьютерная обработка данных обеспечивает создание трехмерных визуальных моделей, состоящих из отдельных органов и тканей, а также тела человека в целом.

Благодаря развитию дополнительных технологий 3D-печати появилась возможность реализации современных 3D-моделей по принципу создания слоев объектов, когда на поверхность наносится тонкий слой материала, затем на него укладывается следующий слой до полного создания объекта сложной формы.

Одним из видов 3D-принтеров являются биопринтеры. Эти устройства имеют возможность создавать органы и ткани путем нанесения слоев биологического материала. Биофабрикация — одна из самых инновационных разработок 21 века, которая позволит снизить уровень инвалидности и смертности в будущем, расширив доступ к искусственным органам и тканям. Биофабрикация — это процесс искусственного выращивания органов и тканей пациента с помощью биопечати.

Первые данные биопринта для клеток и структур органов — это их компьютерная визуализация. Для создания можно использовать данные КТ и МРТ. Использование методов компьютерного проектирования позволяет добавить необходимые параметры будущего биоимплантата еще на ранней стадии.

Для проектирования органа и клетки необходимо учитывать три уровня организации создаваемой области: макро-, микро- и нано-. Макроархитектура – это ​​метод, отражающий анатомические и уникальные особенности органа. Микроархитектура включает в себя клеточную структуру, такую ​​как размер, поток, форма, клеточное деление и соединение клеток. Наноархитектура в свою очередь учитывает изменения клеточной поверхности, бимолекулярные взаимодействия с клетками, пролиферацию и разнообразие.

Наиболее важными компонентами биоимплантата являются самовоспроизводящаяся оболочка, клетки и организмы. Источником автономных стволовых клеток могут быть различные типы клеток от слизистой оболочки и жировой ткани до костного мозга. Биоактивные вещества должны обеспечивать продукцию клеточной детоксикации, способствовать адгезии клеток-хозяев и стимулировать ангиогенез.

В большинстве биопечатей в качестве каркасов используются гидрогели, включающие следующие вещества: хитозан, альгиновую кислоту или альгинат, гиалуроновую кислоту, желатин, матригель, коллаген, плюроник, метилцеллюлозу, фибрин и пр.

Существуют следующие основные технологии биопечати: лазерные принтеры, безлазерные принтеры и экструзия. В технологии биопечати с лазерным принтером (LaBP) используется лазер, сфокусированная система и подложка с нанесенным биоматериалом. Размер капель контролируется энергией и продолжительностью сердечных сокращений. Однако использование лазера приводит к снижению безопасности клеток. Разрешение системного пространства варьируется в пределах 30–100 мкм. Для этой техники характерна низкая скорость печати.

В технологии безлазерной биопринтерной печати (LFBP) биоматериал подается в резервуар с помощью пьезоэлектрического, электростатического или механического введения. При использовании пьезоэлектрической печатающей головки пьезоэлемент изменяет диаметр трубки, по которой подается биоматериал. Технология LFBP имеет высокую скорость печати в пределах 10–50 м/с, но жизнеспособность таких клеток составляет 40-80%. В экструзионных биопринтерах биоматериал формируется за счет изменения давления в резервуаре.

По завершении биопечати созданный орган вводят в биореактор или инкубатор. Это устройство поддерживает необходимые условия для жизнедеятельности клеток.

Один из первых биопринтеров NovoGen MMX был создан инженерами Invetech и медицинскими экспертами Organovo. При печати он создает первый слой «биобумаги» из коллагена, желатина или других гидрогелей. Затем вводятся спроиды и добавляются слои до тех пор, пока не будет создан конечный продукт. Клетки образуют мелкие капли диаметром от 100 до 500 мкм, хорошо сохраняющие форму. Био-линии сфироидов в этом процессе постепенно сливаются. После этого «биобумага» растворяется или удаляется. Чтобы создать трубчатую структуру, например кровеносные сосуды, сначала необходимо нанести гидрогель внутри и снаружи будущей конструкции, а только затем добавлять клетки. В декабре 2010 г. Organovo опубликовала первые образцы кровеносных сосудов и нервных волокон с использованием одной донорской единицы.

Первый российский биопринтер для печати сфероидов «Фабион» был создан компанией «Биопринтинг Солюшнс». В 2015 году на этом биопринтере была напечатана щитовидная железа и затем ее успешно имплантировали лабораторным мышам.

Несмотря на достижения в области биопроизводства с использованием биопринтеров, клетки и структуры органов все еще менее гибкие, чем того требует человеческий организм. Кроме того, у таких органов все еще отсутствуют кровеносные сосуды, поэтому их размер определяет ограничение поступления кислорода и питательных веществ.

Тем не менее, в 2019 году исследователи из разных стран добились существенных результатов в области трансплантации органов. Команда под руководством Университета Райса и Вашингтонского университета разработала сложное устройство для 3D-печати кровеносных сосудов. Они объединяют естественные проходы тела с воздухом, кровью, лимфой и другими жидкостями. Создание искусственных кровеносных систем положило начало новой вехи в истории медицины – массовому созданию искусственных органов.