Нам выпало жить в интереснейшее время. Идеи, казавшиеся фантастикой, воплощаются на наших глазах. Одним из таких чудес, стремительно переходящих из разряда супертехнологий на бытовой уровень, является трехмерная печать (3D-печать). И если идея «распечатки» банального кирпича, деталей для пистолета или даже целого дома уже не кажется чем-то из ряда вон выходящим, то возможность напечатать настоящий живой человеческий орган потрясает воображение. MedAboutMe предлагает своим читателям вместе восхититься достижениями человечества в данной области.
3D-принтер и биопринтинг
3D-печать (аддитивное производство) – это процесс создания трехмерных объектов на основе цифровой модели, полученной путем 3D-сканирования.
Сообщения о первых трехмерных принтерах появились в конце 1970-х-1980-х годах. Огромные и громоздкие сооружения стоили очень дорого и мало что позволяли создать. Но в 1986 году американец Чарльз Халл запатентовал метод стереолитографии – послойного нанесения фотополимерного материала с целью получения твердых трехмерных физических объектов. Он же продемонстрировал и первый в мире аппарат для 3D-печати на базе ультрафиолетового лазера. При УФ-облучении жидкий фотополимер застывал, позволяя слой за слоем формировать контуры модели. А в 1993 году американские студенты Джим Бредт и Тим Андерсон модифицировали обычный струйный принтер так, чтобы он «печатал» объёмные изображения. Струйная печать и легла в основу современного 3D-принтинга.
За прошедшие 30 лет многое изменилось. Сегодня существует добрый десяток технологий 3D-печати. Но принцип послойного нанесения материала пока остается неизменным. А это приводит к определенным ограничениям.
Для обычной печати используются самые разные полимеры. И процесс «распечатки» носит название 3D-принтинг. А для биопечати ученые используют живые клетки – и процесс называется 3D-биопринтинг.
И тут вступают в действие ограничения послойного создания трехмерного объекта. Толщина сплошного живого слоя, распечатанного на 3D-принтере, не может превышать 200 мкм – это 0,2 мм. Без снабжения питанием клетки быстро гибнут. Эту проблему ученые частично смогли обойти, наслаивая ткань на каркас – сначала из сахарных трубочек, потом из полимерного биогеля. Впоследствии каркас растворяется, а на его место – при пересадке в живой организм – должны будут прорастать кровеносные сосуды.
Еще один важный момент: при биопринтинге в качестве материала используются либо клетки конкретных тканей (например, гепатоциты), либо стволовые клетки, которые в зависимости от условий, в которые их поместили, могут трансформироваться в самые разные ткани. А если использовать клетки самого пациента, то можно обойти самую сложную проблему трансплантологии – отторжение чужеродных тканей иммунной системой человека-реципиента, то есть того, кому в организм помещается имплант. И в этом случае пациентам не придется принимать большие объёмы лекарств, подавляющих иммунную систему и дающих массу побочных эффектов.
3D-принтер в медицине
Биопринтер позволяет решать задачи медиков на разных уровнях. Например, печатать таблетки, меняя их пористость или форму для замедления или ускорения усвоения препарата.
Врачи используют 3D-принтинг для визуализации объекта, на котором планируется сложная хирургическая операция. Современные методы сканирования позволяют хирургу иметь под рукой материализованную модель, на которой он может убедиться в правильности своих решений.
3D-принтинг – метод получения идеальных протезов, не требующих дополнительной подгонки под своего хозяина. Более того, настройки 3D-принтера позволяют делать материал протезов неоднородным и усиливать его в заданных местах.
С помощью 3D-принтера можно напечатать собственно объект, который потом будет внедрен в тело пациента. Прежде всего, это кости и их отдельные фрагменты. В стоматологии 3D-печать используется с 1993 года – для создания челюстей и их отдельных деталей. В Китае были отпечатаны и успешно имплантированы подвздошная кость таза, лопатка и ключица, а также позвонок. Американская компания Oxford Performance Materials в 2013 году отчиталась о проведенной замене имплантом значительного куска черепа (75% от общего объёма). Объект был собран из 23 частей, отпечатанных на 3D-принтере по результатам сканирования с учетом всех индивидуальных характеристик черепа пациента и специфики повреждений.
Технология развивается на глазах. Ранее для протезов использовали титановый порошок (титан – самый инертный металл в медицине и дает минимальный риск отторжения). Однако сейчас на подходе новые материалы. На протезах, которые будут внедряться в тело пациента, в материале специально оставляют микрополости, которые после операции заселяются собственными костными клетками пациента. Это уменьшает риск отторжения тканей и ускоряет процессы заживления. Компании Lima и Adler используют данную технологию для имплантов тазобедренных суставов.
От тканей к органам
Целое направление 3D-биопринтинга – это печать каркасных конструкций, которые в лабораторных условиях покрываются слоем стволовых клеток пациента и только после этого пересаживаются ему. Американцы сообщили уже о сотне операций имплантации межпозвоночных дисков, отпечатанных на принтере и увешанных стволовыми клетками пациента. Разработаны методики по аналогичным операциям «пересадки» щитовидной железы и др.
3D-биопринтинг позволяет создавать объекты из живых тканей, внедряя в них дополнительные небиологические компоненты. Например, в ходе экспериментов удалось получить бионическое ухо из живых клеток со встроенной в него индуктивной антенной. Пока это лишь опытный образец, но от него не так уж далеко до практики.
Наконец, самый интересный и животрепещущий момент: биопечать органов. Почему можно напечатать целый дом, но так сложно получить работающую печень, почку или сердце?
Орган – это не просто однородный слой ткани, а сложная система, сочетающая в себе разные ткани, отдельные клетки и структуры, пронизанная кровеносными и иными сосудами, а также нервами, благодаря которым орган работает как часть одного организма. Почка, печень – это органы, над созданием которых эволюция трудилась миллионы лет. Не так-то просто воссоздать их полностью.
Еще в 2013 году ученые использовали в качестве сырья клетки печени. Им удалось напечатать печеночную ткань. Но, как было сказано выше, основная проблема получения достаточного объёма живой ткани, да еще в заданной конфигурации – ее кровоснабжение и иннервация.
Частично эта проблема решается на технологическом уровне, путем разработки программы, которая позволит собирать и выращивать в лабораторных условиях сложный конструкт на основе 3D-каркаса и клеток разного типа, полученных у пациента. Кроме того, ученые рассматривают вариант печати органов в невесомости – для облегчения создания трехмерной структуры.
Несмотря на сложности, первые шаги уже сделаны.
Щитовидная железа – первая трехмерная «ласточка»
В феврале 2016 года российские исследователи из частной лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс», сообщили о том, что им удалось напечатать на трехмерном принтере орган, который был пересажен мыши и успешно прижился. Этим органом стала щитовидная железа.
Эксперимент был начат в марте 2015 года. У подопытных мышей предварительно разрушали их родную щитовидную железу при помощи радиоактивного йода. На сегодняшний день можно с уверенностью утверждать, что конструкт успешно прижился и продемонстрировал свою работоспособность. Щитовидная железа для мыши была распечатана на первом российском биопринтере FABION. На следующем этапе ученые собираются распечатать щитовидную железу человека.
Правда, в данном случае не стоит представлять себе классическую железу-«бабочку» – форму, в которой орган дается нам от рождения. Тут, скорее, речь идет об объёмном образовании из клеток, выполняющем функцию щитовидной железы. Главное, чтобы эти клетки исправно продуцировали гормоны, заменяя собой отсутствующий орган.
Исследователи также пообещали, что в ближайшие 15 лет наладят выпуск и продажу таких биопринтеров. По их мнению, к этому времени можно будет распечатывать и другие органы: почки и печень. Таким образом, будут решены сразу две проблемы: дефицит органов для пересадки и высокая стоимость процедуры.И это будет самым серьезным шагом в области трансплантологии за всю ее историю.
Выводы
Итак, за 3D-биопринтингом будущее. Какие плюсы и какие минусы сегодня существуют у данной технологии в медицинском плане?
Преимущества 3D-биопечати:
- максимальное соблюдение индивидуальных характеристик трансплантата;
- скорость изготовления;
- возможность изменения веса и структуры импланта при помощи изменения пористости материала;
- снижение риска отторжения импланта;
- уменьшение масштабов иммунносупрессивной терапии, негативно сказывающейся на состоянии пациента;
- возможность получать трансплантаты не от доноров, а искусственным путем.
Недостатки 3D-биопечати:
- высокая стоимость как самого 3D-принтера, так и материалов для него. Но все относительно: стоимость операций по пересадке органов от доноров еще выше. А кроме того, с каждым годом технология будет дешеветь;
- недоступность технологии для широких слоев населения. Это тоже временная проблема. Рано или поздно, 3D-биопринтинг станет обычной процедурой и для российских больниц.
