Люди печатают новых людей. Технологии биопринтинга

Технология, с помощью которой люди могли бы печатать других людей, воспринимается как фантастика. В ближайшей перспективе — так оно и есть. Но ученые уже научились воспроизводить кожу, ткани и внутренние органы. 3D-биопринтинг — это и есть печать человеческих органов и новая веха в медицине.

Коротко о главном

Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.

Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.

Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.

Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.

Коротко о главном

Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.

Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.

Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.

Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.

Как это работает

Стандартные принтеры работают в двух измерениях: текст или изображение наносится на плоскую поверхность с использованием размеров Х и У — горизонтальный и вертикальный. Для печати в трехмерном пространстве добавляется Z — глубина.

Во время работы 3D-принтера головки перемещаются влево, вправо, вперед и назад, а также вверх и вниз, то есть в трехмерном пространстве. Вместо чернил 3D-принтер использует полимеры, металл, карамику, шоколад и другие материалы.

Сначала в программе для моделирования создается план предмета в цифровом формате и отправляется на печать. 3D-принтер разогревает материал и считывает план. Параллельно с этим головка перемещается в пространстве и слой за слоем воссоздает предмет.

После печати каждый слой охлаждается и твердеет. Это нужно, чтобы следующий слой печатался точно поверх предыдущего. Только так можно создать прочный предмет с подвижными соединениями.

Эта же технология легла в основу биопринтера. Отличие одно — материал. Последний использует биоматериал с добавлением живых клеток: например, для печати кровеносных сосудов и кожных тканей. Образцы клеток берутся у человека, для которого выполняется печать, и культивируются до нужных размеров. Иногда в роли чернил выступают стволовые клетки, свиной коллагеновый белок и морские водоросли (из которых получают полисахарид агароза).

Еще один вариант: хитозан — это полисахарид, получаемый либо из моллюсков, либо путем брожения грибов. Очевидные плюсы — высокая биосовместимость и антибактериальные свойства, минус — низкая скорость гелеобразования.

Как и для обычного принтера, биопринтеру нужен проект, на основе которого он будет печатать. Такие проекты создаются в специальных программах по результатам сканирований и МРТ. Чем точнее проект, тем больше вероятность, что головки принтера попадут в нужную точку. Воссоздание органического проекта с тонкими слоями занимает от нескольких часов до суток.

Одних клеток для печати недостаточно. Требуется каркас, к которому они будут крепиться. Основным материалом в этом случае выступает так называемый синтетический «клей», который примешивается к органике.

Биопечать проходит в три этапа

Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.

Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».

Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.

Биопечать проходит в три этапа

Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.

Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».

Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.

Идее самосборки — сто лет

Технология биопринтинга базируется на явлении самосборки клеточных структур. Этот процесс, управляемый силами поверхностного натяжения и межбелковыми взаимодействиями, встречается в живом мире, начиная от формирования клеточных мембран и заканчивая образованием органов у эмбриона. Иными словами, этот процесс вы наблюдаете, когда заживает царапина или порез на руке.

Идея биопринтига родилась из предположения, что такие процессы самосборки реально воспроизвести вне живого организма. Впервые это предположение было высказано в конце XIX века немецким профессором анатомии Г. Борном после того, как он столкнулся с любопытным явлением. Однажды вечером Борн препарировал головастика, но работу пришлось прервать из-за ужина, чем профессор был немало раздосадован. Борн вернулся к работе только на следующий день и удивился, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись.

Американский морской биолог Петер фон Вильсон — первооткрыватель уникального явления самосборки ткани вне организма. В 1907 году он проводил эксперименты на морских губках и заметил, что отсеченные клетки сращиваются между собой в единый организм.

Идейная основа биопринтинга заложена больше ста лет назад, и в этом смысле технология является не гениальным изобретением, а практическим результатом многолетних интенсивных исследований.

От клетки — к органу

Экспериментальное развитие печати органов началось около десяти лет назад. На первых этапах биопринтинг больше походил на создание деталей конструктора, исследователям удавалось воспроизвести лишь фрагменты тканей. Позже появилась возможность создавать сегменты органов, снабженные сосудами. Этот этап считается определяющим в развитии технологии биопринтинга.

Сейчас технологически можно производить цельный и полностью функциональный внутренний орган с сосудами. Но для создания органа, который будет пригоден для трансплантации, необходимо усовершенствовать постпроцессинг.

Над этой проблемой работает группа российских исследователей под руководством В. А. Миронова. Ученые стараются добиться ускоренного развития тканей, используя «волшебный коктейль» — комбинацию специфических биомолекул, факторов роста и развития.

Биопринтинг в космосе

В 2018 году лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions объявила о начале экспериментов по биопечати в космосе. В августе прошлого года на МКС отправили новую партию оборудования и материала. На этот раз на первом в мире космическом биопринтере планируется использовать органические и неорганические компоненты для сборки костной ткани.

Также космонавты выращивают белковые кристаллы и проводят эксперименты по печати биопленок бактерий, чтобы изучить их поведение в невесомости.

«Живые клетки, ткани и органы человека будут синтезированы уже в текущем столетии. Для этого морфологические науки, такие как микроскопическая анатомия и гистология, надо оцифровизировать, то есть перевести в цифровой формат и сделать доступными для компьютерных программ биопринтеров. Без цифровых моделей нельзя напечатать человеческие ткани и органы», — из выступления научного сотрудника Института регенеративной медицины, кандидата медицинских наук Владимира Миронова.

Расскажите про биопринтинг друзьям, поделитесь статьей в социальных сетях!