Наступило будущее! Сегодня некоторые органы уже можно создавать при помощи биопринтера. Мы расскажем, как функционирует технология биопринтинга и в каких сферах она находит применение.
Отец-основатель
Всё началось с человека по имени Чарльз (Чак) Халл. В 1983 году он работал инженером в компании Ultraviolet Products (UVP), занимая должность вице-президента по разработкам. Компания специализировалась на производстве ультрафиолетового оборудования и специальных светочувствительных полимеров. Эти полимеры, например, применялись вместо краски и наносились на поверхность мебели. Под воздействием ультрафиолетового излучения они затвердевали, превращаясь в прочный пластик.
Халлу пришло в голову, что ультрафиолетовое воздействие можно использовать не только для обработки одного слоя краски, а для создания более сложной системы. Он предположил, что использование нескольких слоев пластика позволит создавать изделия любой формы и с любой степенью сложности. Кроме того, применение компьютерного моделирования значительно расширит инженерные возможности.
Компания предоставила Халлу возможность проводить эксперименты в свободное от основных обязанностей время. По вечерам он работал в лаборатории, настраивал аппаратуру, выбирал полимерные материалы и разрабатывал программное обеспечение. В результате его трудов был создан прибор, использующий ультрафиолетовое излучение для создания объемных конструкций из фотополимера. Таким образом, появился первый 3D-принтер.
Сам Халл не усмотрел реальной пользы от своей машины и окрестил ее «клудж» – технически исправный, но в сущности бесполезный предмет. Однако ситуация изменилась, когда Халл «одолел» собственную разработку. Долгое время ему не удавалось обеспечить устойчивость формируемой детали, но в конечном итоге он синхронизировал работу компьютера и ультрафиолетовых ламп, что позволило получать сразу же прочные изделия. Он запатентовал 3D-принтер, и уже в XXI веке его изобретение получило применение в различных сферах, включая медицину.
От простого к сложному
Впервые в истории мировой медицины, в 1999 году, человеку был пересажен орган, полученный благодаря применению 3D-технологий. Специалисты разработали трехмерный каркас мочевого пузыря из пластика и заселили его стволовыми клетками. В результате внутри пластикового каркаса сформировался орган, который успешно функционировал после трансплантации. Те же ученые смогли вырастить печень аналогичным способом, но ее пересадка пациенту не состоялась: технология находилась в зачаточном состоянии, и врачи не решились на подобную операцию.
Прошло еще несколько лет, и технологический прогресс позволил отказаться от пластиковых каркасов: органы стали печатать непосредственно на биопринтере. Прежде всего, на компьютере формируется трехмерная модель органа, после чего в принтер загружаются биочернила, состоящие из живых клеток и биоматериалов. После завершения печати орган помещается в биореактор, где он созревает и приобретает функциональность. Таким образом, изготавливались суставы, кости, сердечные клапаны, трахея и другие структуры. Однако более распространенной практикой является печать не целого органа, а отдельных фрагментов ткани, например, для ускорения заживления ран.
В настоящее время активно ведутся работы по улучшению технологии производства биочернил. Для их создания могут использоваться:
- альгинаты – полисахариды, получаемые из водорослей, они очень хорошо совместимы с тканями организма и не токсичны;
- коллаген;
- желатин – производное коллагена;
- гиалуроновая кислота;
- фибрин, волокна которого образуют сеть;
- собственные клетки органа.
По сути, биопринтер формирует структуры из живых клеток, используя коллагеновую основу. Клетки могут быть взяты непосредственно у пациента, однако это не всегда возможно. В таких случаях их культивируют из стволовых клеток, как это делается, например, при получении кардиомиоцитов.
Тонкая работа
В настоящее время ученые работают над технологией печати тканей непосредственно в месте проведения операции. Существуют микроскопические инструменты для эндоскопических вмешательств, поэтому возникает вопрос, почему бы не создать микробиопринтер? Он предназначен для печати необходимой ткани прямо в области повреждения, включая внутренние органы. К примеру, при операциях на кишечнике 3D-биопринтер сможет создавать здоровую ткань непосредственно в операционной, а манипулятор будет наносить ее на внутреннюю поверхность кишки. Это позволит ускорить процесс восстановления.
3D-биопечать используется не только для создания органов и тканей, предназначенных для трансплантации, но и, к примеру, для тестирования лекарственных препаратов. По последним сведениям, в России около 15 компаний занимаются разработками в области 3D-биопечати.