Din ce sunt imprimate organele pe o imprimantă 3D? A fost creată prima bioimprimantă în serie

Prima imprimantă biologică 3D, special concepută pentru producția la scară mică, dar totuși industrială, deschide noi perspective în domeniul implantării și restaurării organelor și țesuturilor. Acesta este rezultatul cooperării companie americană Organovo și Australian Invetech.

În loc să încerci să crești un organ sau o bucată de țesut in vitro forma dorităși proprietățile specificate, este mult mai eficient să-l imprimați pe o bioimprimantă, cred experții Organovo. Acest dispozitiv folosește o cantitate de celule cultivate ca cerneală. tipul potrivit(epitelial, conjunctiv, muscular) și un cap de imprimare de precizie sub controlul computerului așează celulele (și substanțele auxiliare) în ordinea dorită.

De fapt, primele experimente impresionante în acest domeniu au fost efectuate în urmă cu câțiva ani. Cercetătorii de la mai multe institute și universități încă lucrează la diferite versiuni ale tehnologiei de tipărire a organelor. Din când în când, apare imprimarea biologică tridimensională, care diferă în nuanțele compoziției „cernelii” și însuși procesul de formare a unui întreg țesut din aceasta.

Profesorul Gabor Forgacs și personalul laboratorului său de la Universitatea din Missouri au avut un succes deosebit în acest domeniu, dezvăluind noi subtilități ale bioprintării încă din 2007. Am vorbit în detaliu despre dezvoltarea acestei tehnologii, prima ei succese majore iar crearea propriu-zisă a Organovo - Forgach a fondat-o tocmai pentru a-și comercializa dezvoltările.

Rezultatul a fost tehnologia NovoGen, în care au fost gândite toate detaliile necesare bioprinting-ului, atât în ​​partea biologică, cât și în partea hardware. Primele imprimante experimentale pentru Organovo (și conform „schițelor”) au fost construite de compania nScrypt. Dar acestea erau dispozitive necesare pentru a șlefui tehnologia. Acum a sosit momentul producerii în serie a bioimprimantelor.

După cum relatează Organovo în comunicatul său de presă, în mai 2009 a selectat Invetech ca partener industrial. Acesta din urmă are o experiență de peste 30 de ani în proiectarea de echipamente de laborator și medicale, inclusiv echipamente automatizate și computerizate.

Și la începutul lunii decembrie, prima copie a unei bioimprimante 3D care încorporează tehnologia NovoGen a fost trimisă de la Invetech la Organovo. Noul produs se distinge prin dimensiunea compactă, interfața intuitivă a computerului, grad înalt integrarea nodurilor și fiabilitate ridicată.

Noua imprimantă are dimensiuni atât de modeste încât poate fi plasată cu ușurință într-un dulap biologic pentru a oferi un mediu steril în timpul procesului de imprimare (foto de Organovo).

Această imprimantă are două capete de imprimare. Unul este umplut cu „vopsele” țintă (celule hepatice umane, celule renale, celule stromale etc.), al doilea - cu materiale auxiliare (hidrogel de susținere, colagen, factori de creștere).

Inginerii australieni sunt deosebit de mândri de sistemul lor de calibrare cu laser și de sistemul de poziționare a capului robotizat, a cărui precizie este de câțiva micrometri. Acest lucru este foarte important pentru plasarea celulelor în poziția corectă.

Avem în fața noastră prima bioimprimantă în serie din lume, deoarece în viitorul apropiat Invetech intenționează să furnizeze mai multe dispozitive identice pentru Organovo și va distribui deja noul produs în comunitatea științifică. Primele mostre ale unei bioimprimante 3D de la Organovo și Invetech vor fi disponibile pentru cercetare și organizatii medicaleîn anul 2010.

O copie mai mică a unei urechi umane din biogel

Institutul Wake Forest pentru Medicină Regenerativă

Oamenii de știință de la Wake Forest Medical School au dezvăluit o bioimprimantă care imprimă țesut uman din celule vii care își pot menține forma și își pot rădăcina în organism. În viitor, țesuturile și organele bioprintate pot înlocui protezele artificiale. Lucrările cercetătorilor au fost publicate în jurnal Natură.

Pentru a crea organe și țesuturi, imprimanta folosește un hidrogel special și material plastic biodegradabil. Hidrogelul este o combinație de gelatină, fibrinogen, acid hialuronic și glicerină cu o concentrație destul de mare de celule vii. Mai întâi, imprimanta creează cu atenție obiecte tridimensionale din ea strat cu strat, apoi le acoperă cu o înveliș exterioară de polimer degradabil. Această membrană ajută la menținerea organelor și țesuturilor în formă.

După ce țesutul este transplantat în corp, învelișul polimeric se descompune treptat. În același timp, celulele încep să secrete independent o matrice, care oferă suport mecanic celulelor și, în cele din urmă, nevoia de material suport dispare. Întregul volum de țesut artificial este pătruns de o rețea de microcanale prin care oxigenul și substanțele nutritive sunt furnizate celulelor.

Pe acest moment Oamenii de știință au creat un analog de gel al osului calvarian de șobolan pe baza de celule stem umane din lichidul amniotic, copii mai mici ale urechii umane din condrocite de iepure și mai mulți „mușchi” folosind mioblastul C2C12 de șoarece. Cercetătorii au testat toate probele în laborator și în condiții naturale, implantându-le sub pielea șobolanilor și șoarecilor.

Rezultatele, potrivit oamenilor de știință, au fost promițătoare. Urechile implantate la șoareci și-au păstrat forma după două luni, iar conținutul de glicozaminoglicani, care fac parte din matricea celulară, a crescut cu 20 la sută. Țesutul muscular întins de-a lungul structurii de susținere și-a păstrat proprietățile după două săptămâni. caracteristici mecanice. Nervul peronier implantat în implant și-a păstrat, de asemenea, integritatea și s-au observat contacte nervoase cu α-BTX+ în interiorul implantului în țesut. Într-un gel analog al osului calvarial la șobolani, țesutul osos vascularizat s-a format după cinci luni.

Potrivit autorilor, acum este necesar să aflăm cât de sigure sunt implanturile bioprintate pentru oameni. Cel mai probabil, structurile cartilaginoase, adică urechile, vor fi testate mai întâi, deoarece spre deosebire de mușchi și oase, cartilajul nu necesită un sistem extins de vase de sânge.

Ideea organelor de imprimare 3D nu este nouă în general. Oamenii de știință lucrează activ la această tehnologie, deoarece nu numai că va face posibilă crearea de bioimplanturi pentru transplant la oameni, ci și, de exemplu, efectuarea de studii clinice cu medicamente pe organe și țesuturi individuale. Astfel, compania Organavo este în prezent angajată în imprimarea 3D a țesutului renal pentru testarea medicamentelor.

Kristina Ulasovici

Imprimantele 3D sunt folosite astăzi în multe domenii ale vieții noastre, permițându-ne să creăm diverse elemente decorative pentru interior, proteze pentru organe umane, bijuterii de designer sau chiar ciocolată. Dar știința nu stă pe loc, iar astăzi există deja planuri de imprimare 3D a organelor din material biologic. Aceasta este o adevărată descoperire revoluționară, deoarece organele donatoare sunt foarte deficitare.

Caracteristici ale organelor de imprimare pe o imprimantă 3D

Crearea de organe umane funcționale prin imprimarea 3D ar rezolva cea mai mare problemă - lipsa chiar a acestor organe - pentru a salva milioane de pacienți din întreaga lume. Ideea creșterii organelor umane a apărut în secolul trecut, dar până la apariția bioprintingului nu a fost posibil să le transformăm în realitate. Institutul de Medicină Regenerativă a fost primul care a creat blocuri sintetice pentru creșterea vezicii umane folosind imprimarea 3D. Cu toate acestea, primul sigiliu a apărut abia în anii 2000.

Prima imprimantă de bioprintare 3D: Organovo

Organovo a fost prima companie care a început să imprime organe umane în 2010. Astăzi, specialiștii companiei încearcă în mod activ să creeze mostre de ficat, dar acestea nu pot fi încă folosite pentru transplant. Imprimarea 3D a organelor este mai complexă decât dispozitivele convenționale de imprimare 3D, dar aceste două procese au multe caracteristici comune:

• Se folosesc cartușe și capete de imprimare,
• Biomaterialul este folosit în loc de cerneală,
• Formarea organului se realizează strat cu strat pe o suprafață specială de lucru.

Cu toate acestea, înainte de imprimare, fiecare parte este supusă unei serii de verificări. Pentru început, pacientul însuși este supus procedurilor de scanare CT și RMN. Rezultatele obținute sunt procesate de computer, după care se creează un aspect - acesta este folosit în imprimantă pentru a determina locurile și metodele de aplicare a celulelor. Imprimantele biologice funcționează pe baza celulelor umane ale organului a cărui sinteză se realizează sau pe baza celulelor stem. Structura integrală a organului este obținută datorită unei substanțe speciale de fixare conținute în cartuș.

Imediat după finalizarea tipăririi, organul creat este plasat conditii specialeîn incubator - acest lucru este necesar pentru ca celulele să înceapă să se împartă și să se sincronizeze pentru a lucra împreună.

Care sunt problemele?

Bioimprimanta Organovo pentru imprimarea organelor umane este un dispozitiv modern cu un viitor mare. Cu toate acestea, există o serie de probleme asociate cu acest proces dificil și consumator de timp:

1. Există o lipsă de material care ar putea fi folosit pentru a produce organe umane.
2. Dificultatea constă în germinarea celulelor în afara corpului uman: organele noastre sunt foarte complexe, deci este foarte dificil să stabilim funcționarea unui organ artificial.
3. Capacitate tehnice limitate. În primul rând, există o lipsă de echipamente de înaltă calitate și puternice care ne permit să creăm organe umane cât mai aproape de naturale. În al doilea rând, este foarte dificil să faci celulele să funcționeze în mod coerent, deoarece este necesară și producția de vase de sânge - acestea sunt cele care contribuie la buna funcționare a organelor. Apropo, primele șabloane de vase de sânge au fost deja produse la Universitatea Brigham Young. Pentru a le crea s-a folosit agaroză polizaharidă liniară.

Caracteristicile imprimantei 3D biologice

– procesul nu este ușor, așa că dispozitivul în sine are o serie de caracteristici. Lucrul bun despre bioimprimantă este că funcționează fără utilizarea unei baze de susținere. Organovo funcționează pe baza celulelor stem, care sunt obținute din măduva osoasă. Aceste celule se formează în picături mici cu diametre de la 100 la 500 de microni, care își păstrează bine forma și permit imprimare de înaltă calitate. Esența acestui proces este următoarea: primul cap de imprimare așează picături cu celule în secvența dorită, iar al doilea pulverizează baza de susținere. În acest scop se folosește un hidrogel pe bază de zahăr pudră, care nu interacționează cu celulele. După ce imprimarea este finalizată, structura rezultată este lăsată timp de câteva zile pentru a permite picăturilor să adere între ele.

Posibil cu utilizarea altor materiale și baze de susținere. De exemplu, celulele hepatice pot fi aplicate pe o bază pregătită anterior sub forma acestui organ.

Care sunt perspectivele?

Tehnologiile de imprimare 3D sunt foarte populare astăzi, inclusiv în domeniul creării organelor umane. Cu toate acestea, imprimarea organelor pe o imprimantă are încă o serie de probleme. Să presupunem că ficatul creat de Organovo a fost complet identic cu cel uman și și-a îndeplinit toate funcțiile, dar organul sintetizat a fost capabil să supraviețuiască aproximativ 40 de zile. Nu cu mult timp în urmă, valvele și venele cardiace au fost create folosind imprimarea 3D, dar imprimarea unei inimi cu drepturi depline nu este încă posibilă. Astăzi se vorbește din ce în ce mai mult despre crearea de rinichi 3D care ar putea fi transplantați la oameni.

Oamenii de știință de la Organovo cred că este posibil să se creeze organe fără o structură de susținere, deoarece celulele vii se pot autoorganiza. Cu toate acestea, ei observă că imprimarea 3D a organelor are patru niveluri de complexitate:

1. Cel mai ușor de imprimat sunt structurile plate realizate dintr-un tip de celulă, cum ar fi pielea.
2. Al doilea cel mai complex sunt structurile tubulare, cum ar fi vasele de sânge.
3. La al treilea nivel de dificultate există organe goale (vezica urinară sau stomac).
4. Iar organele cele mai greu de imprimat sunt ficatul, rinichii și inima.

În plus, tehnologia de imprimare a organelor 3D poate fi utilizată în alte domenii. De exemplu, oasele pot fi create prin scanare 3D pentru a restabili mobilitatea unei persoane. Imprimanta biologică face posibilă crearea de structuri care susțin scheletul: acest lucru contribuie la vindecarea rapidă a pacienților. Medicamentele pot fi testate pe organe imprimate 3D pentru a determina efectele secundare ale acestora.

Din 2012, este posibil să se imprime proteze și implanturi pentru sistemul musculo-scheletic uman folosind imprimante 3D. Vertebrele și discurile intervertebrale din plastic și cauciuc sunt deja destul de bine stăpânite, iar un nivel mai complex este stăpânit treptat - imprimarea organelor și părților corpului uman la nivel celular. În clinicile din SUA, Europa și Japonia, care sunt înaintea restului în ceea ce privește cercetare științificăîn medicină, chiar acum experimentează cu celule stem pentru a crea părți ale corpului care să fie complet implantate în corpul uman.

Pentru a vă face o idee mai bună asupra sferei progresului, puteți cita date de la Oxford Performance Materials, care vorbește despre 450 de mii de pacienți în întreaga lume și investiții de 2 miliarde de dolari.Utilizarea celulelor stem și a celulelor proprii ale unei persoane este îndoielnică, dar acest material este cel care va elimina complet riscul de respingere . Celulele stem nu sunt singura resursă pentru o imprimantă 3D; oamenii de știință lucrează deja la o combinație de fibre de plastic și celule vii, fără de care crearea unor organe cu adevărat complexe este de neconceput. De acord, una este să tipăriți o proteză osoasă și alta este să imprimați părți ale ficatului sau ale inimii.

Până acum, astfel de organe complexe nu pot fi realizate complet, dar, de exemplu, pielea imprimată este deja utilizată pe scară largă pentru transplant la un centru de arsuri din Statele Unite. Patronii și oamenii de afaceri din întreaga lume investesc în imprimarea medicală 3D. Potrivit Grand View Research, până în 2020 piața de imprimare 3D va depăși un miliard de dolari, imprimantele în sine vor deveni rapid mai ieftine și va fi la o aruncătură de băț înainte de eliberare de masă, modele acasă .

Ce progrese ne poate oferi medicina în acest moment?

Scull

În martie trecut, chirurgii au înlocuit 75% din craniul unui bărbat cu o proteză din plastic. Oasele individuale, cum ar fi oasele maxilarului, au fost „montate” în capul unei persoane înainte, dar nimeni nu a făcut niciodată înlocuiri la o asemenea scară, mai ales într-un singur pas și cu ajutorul unei imprimante 3D.

Coloana vertebrală

După cum am scris deja mai sus, înlocuirea vertebrelor și a discurilor intervertebrale este aproape o sarcină stăpânită, dar destul de recent chinezii au făcut o nouă descoperire și au înlocuit o vertebră pentru un băiat de 12 ani cu o tumoare la măduva spinării. Materialul a fost făcut poros, astfel încât vertebra nu va trebui să fie înlocuită constant - va fi pur și simplu acoperită cu țesut osos nou și va deveni o parte integrantă a corpului.

Ureche

Urechea bionică a fost creată din celule de vițel, gel polimeric și nanoparticule de argint. Drept urmare, medicii de la Universitatea Princeton au creat o adevărată „ureche a viitorului” care este capabilă să perceapă undele radio care nu pot fi detectate de urechea umană obișnuită. Potrivit oamenilor de știință, ei pot stăpâni „conexiunea” unei astfel de urechi la neuronii creierului, astfel încât să poată percepe ceea ce aude.

Germen

Nu chiar un organ viu, însă, companie japoneză„Fasotec” este imprimat folosind un scaner de rezonanță magnetică într-un cub transparent care imită uterul, o copie exactă a copilului tău nenăscut. Arată fantastic și înfricoșător în același timp, dar până acum medicilor le place acest proiect temeinic comercial, deoarece cu ajutorul lui va fi posibil să se observe dezvoltarea corectă a fătului, ținând practic un model al copilului în mâini.

Mâinile

Când nativul sud-african Richard Van Es i s-a tăiat degetele mâinii drepte într-un atelier de tâmplărie, l-a găsit pe Ivan Owen din Washington, care a creat prototipuri de mâini mecanice. Împreună au fondat compania Good Enough Tech, au dezvoltat Robohands și au stăpânit tipărirea „robohands” pe o imprimantă 3D, reducând semnificativ costul produsului final. Cu ajutorul Makerbot, care le-a împrumutat atât imprimante, cât și resurse de imprimare, acești doi entuziaști au ajutat deja peste 200 de oameni din întreaga lume.

Ficat

Nu este încă posibilă imprimarea unui organ complet datorită complexității sale, dar imprimarea țesutului hepatic din hepatocite, celule stelate și celule epiteliale a fost deja stăpânită. Acest succes datează din 2013, așa că o descoperire științifică în „tipărirea” unui ficat întreg este destul de posibilă în viitorul apropiat.

Nas

Medicii și cercetătorii coreeni au restaurat cu succes un nas artificial imprimat 3D unui băiețel de șase ani. Nerha, un băiat din Mongolia, s-a născut fără nas sau nări, ceea ce este extrem de rar. Bebelușii născuți fără nas pot respira corect și majoritatea mor în decurs de 12 luni. Medicii din Seul, unde l-au adus părinții băiatului, au creat o structură de sprijin pentru căile respiratorii folosind tehnologia de imprimare 3D. Într-o serie de operații, medicii au reconstruit nasul lui Nerja. Nările pacientului au fost create folosind propriul său țesut osos. Acum poate respira normal și arată mult mai bine.

„Imprimarea” organelor umane pe o imprimantă 3D

Abonează-te la Quibl pe Viber și Telegram pentru a fi la curent cu cele mai interesante evenimente.

UPD: Proprietarii laboratorului - Invitro - sunt acum pe Habré. L-am postat pe blogul lor corporativ. Îi puteți contacta direct cu întrebări.

Acesta este de la un nou laborator de imprimare a organelor 3D. În față este un microscop impresionant, apoi puteți vedea doi ingineri medicali folosind AutoCAD - realizând o machetă a unui site pentru formarea sferoidelor tisulare.

Un laborator pentru bioprintare 3D a organelor (proiectul Invitro) s-a deschis recent aici. În jurul ei există un fel de extravaganță acerbă de neînțelegere a ceea ce se face exact. În general, deși nu sunt microbiolog, am devenit interesat. M-am îndreptat spre dezvoltator - V.A. Mironov. El a inventat tehnologia de tipărire a organelor și a brevetat-o ​​în SUA, a participat la dezvoltarea a trei modificări ale bioimprimantelor și el a fost „șeful științei” în noul laborator de la Moscova:

V.A. Mironov (M.D., Ph.D., profesor cu 20 de ani de experiență în microbiologie, în special, la granița cu IT) - într-un proces de o oră și jumătate explicându-mi esența tehnologiei, a desenat o grămadă de hârtie.

Nu a putut vorbi despre presă pe scurt, pentru că mai întâi trebuie să înțelegeți o parte din istoria problemei. De exemplu, de ce a trebuit să renunțăm la ideea strălucitoare de a crește un embrion fără cap într-o mamă surogat, apoi să scoatem un rinichi din acesta și să-l plasăm într-o biosoluție pentru maturare accelerată.

Deocamdată, principalul lucru. Nu te grăbi să bei tot ce arde: un ficat nou este încă foarte departe. Merge.

Evoluția metodelor

Deci, la început a existat terapia genică: pacientului i s-au administrat complexele adecvate. Au fost izolate anumite celule, au fost introduse în ele genele necesare, iar apoi celulele au fost plasate în corpul uman. Nu a fost suficientă insulină - aceasta este gena care o produce. Luăm un complex celular, îl modificăm și îl injectăm în pacient. Ideea este grozavă, deși are un dezavantaj fundamental: pacientul se vindecă imediat și nu este nevoie să cumperi nimic după operație. Adică ghici cine a fost în gât. Cazul a fost dificil și apoi unul dintre pacienți a murit - și a început un val tipic american de procese și interdicții, în urma căruia cercetarea a trebuit să fie redusă. Ca urmare, există o metodă, dar nu a fost testată corespunzător.

Următoarea tendință a fost terapie celulară- utilizarea celulelor stem embrionare. Metoda este excelentă: se iau celule „universale”, care pot fi dezvoltate la orice are nevoie pacientul. Problema este că pentru a le duce undeva, ai nevoie de un embrion. Embrionul este în mod evident consumat în procesul de obținere a celulelor. Și aceasta este o problemă morală și etică care a cauzat interzicerea utilizării unor astfel de celule.

Mai departe - inginerie tisulară- acesta este atunci când luați o bază, puneți celule pe ea, puneți totul într-un bioreactor și la ieșire obțineți rezultatul (organul) de care pacientul are nevoie. Ca o proteză, doar viu. Aici punct important: principala diferență față de o proteză este că proteza este inițial făcută din substanțe anorganice și este puțin probabil să se integreze vreodată în corp „ca una nativă”. Nu poți zgâria un picior de lemn.

Metodele de inginerie tisulară sunt cadru– când se folosește un organ cadaveric leșiat (deprivat), care este apoi „populat” cu celulele pacientului. Alte grupuri științifice au încercat să lucreze cu schele de organe de proteine ​​​​porcine (donatorii umani nu sunt necesari, dar imunocompatibilitatea este pe deplin realizată). Ramele sunt artificiale - din materiale diferite, unele grupuri științifice au experimentat chiar și cu zahărul.

Mironov însuși practică tehnologie fără cadru(folosind hidrogel ca bază). În metoda sa, baza polimerică se degradează rapid și în cele din urmă rămâne doar materialul celular. Mai simplu spus, mai întâi se inserează un cadru neogranic cu celule plasate, iar apoi cadrul se „dizolvă”, iar funcțiile sale sunt preluate de celulele organului deja crescut. Pentru rame este folosit același material ca și pentru suturile chirurgicale: se degradează ușor și simplu în corpul uman.

Aici întrebarea principală– de ce este necesară imprimarea 3D. Pentru a înțelege acest lucru, să aprofundăm puțin în metodele disponibile de inginerie tisulară.

Apropiindu-se de obiectiv

În general, ideea de a introduce un organ organic pre-crescut într-o persoană este excelentă. Să ne uităm la trei opțiuni pentru dezvoltarea tehnologiei:

1. Luați un cadru anorganic, îl însămânțați cu celule și obțineți un organ terminat. Metoda este aspră, dar funcționează. Despre asta vorbim în majoritatea cazurilor când se spune „am tipărit un organ”. Problema este că undeva trebuie să luați „materialul de construcție” - celulele în sine. Și dacă există, atunci este o prostie să folosești un fel de cadru extern când este posibil să asamblați pur și simplu o orgă din ele. Dar cea mai dureroasă problemă este endotelizarea incompletă. De exemplu, pentru bronhiile realizate astfel, nivelul este de aproximativ 70%. Aceasta înseamnă că vasele superficiale sunt trombogenice - prin vindecarea unui pacient, îi introduci imediat o nouă boală. Apoi trebuie să trăiască cu heparină sau alte medicamente sau să aștepte să se formeze un cheag de sânge și o embolie. Și aici avocații americani așteaptă deja cu nerăbdare, gata să joace conform vechiului scenariu. Iar problema endotelializării nu a fost încă rezolvată. Varianta posibila– izolarea celulelor progenitoare ale măduvei osoase folosind mobilizarea cu preparate speciale și orientarea pe organ, dar aceasta este încă o fantezie foarte departe de practică.
2. A doua metodă este extrem de originală și foarte plăcută prin cinismul ei. Luăm celula unui pacient (fibroblast) și adăugăm 4 gene. Punem celula rezultată într-un blastocist (un embrion de animal) și începem să creștem animalul. Se dovedește, de exemplu, un porc cu pancreas uman - așa-numita himeră. Organul este complet „nativ”, doar întreaga infrastructură din jurul său – vase de sânge, țesuturi și așa mai departe – provine de la un porc. Și vor fi respinși. Dar nimic. Luăm un porc, tăiem organul dorit (porcul este consumat complet), apoi îndepărtam tot țesutul de porc folosind o prelucrare specială - obținem un fel de cadru organic al organului care poate fi folosit pentru a crește unul nou. Unii cercetători au mers mai departe și au propus următorul truc de viață: să înlocuim porcul cu o mamă surogat. Iată: pe lângă 4 gene, se adaugă în celulă încă una, care este responsabilă de acefalie (lipsa unui cap). O mamă surogat este angajată să poarte prietenul nostru embrion comun. Se dezvoltă fără cap; acefalienii fac acest lucru bine. Apoi - o ecografie, aflarea că copilul este defect și un avort permis legal. Fără cap - nicio persoană, ceea ce înseamnă că nu am ucis pe nimeni. Și apoi - o dată! - acum avem un biomaterial teoretic legal cu organele nedezvoltate ale pacientului. Să le implantăm repede! Dintre dezavantajele evidente - ei bine, pe lângă latura morală - complexitatea organizațională și posibilele complicații legale în viitor.
3. Și, în sfârșit, există o a treia metodă, despre care vorbim. Este, de asemenea, cea mai modernă - imprimare tridimensională a organelor. Și asta este exact ceea ce fac ei în noul laborator. Ideea este aceasta: nu este nevoie de schele anorganice (celulele se susțin perfect bine), nu este nevoie să luați organe de la cineva. Pacientul donează puțin din țesutul său adipos (toată lumea îl are; în timpul experimentelor s-au plâns doar japonezii slabi), din care se obțin elementele structurale necesare prin prelucrarea secvențială a celulelor. Creată model tridimensional organ, este convertit într-un fișier CAD, apoi acesta este dat unei imprimante 3D, care poate imprima cu celulele noastre și înțelege în ce punct din spațiul tridimensional trebuie să „așeze” un anumit tip de celulă. Rezultatul este o construcție de țesut care trebuie plasat într-un mediu special înainte de a începe problemele de hipoxie. În bioreactor, constructul de țesut „se coace”. Organul poate fi apoi „transplantat” în pacient.

Dificultățile evidente ale metodei sunt:

1. Obținerea unui model al unui organ. Trebuie să iei o diagramă undeva. Este destul de simplu.
2. Obținerea celulelor în sine. Evident, avem nevoie de material pentru a imprima orga.
3. Asamblarea unei imprimante astfel încât celulele să poată fi imprimate (o mulțime de probleme cu formarea unei structuri de organ).
4. Hipoxie (lipsa de oxigen) în timpul formării organelor.
5. Implementarea nutriției organului și maturizarea acestuia până la pregătire.

Deci, o imprimantă 3D este doar o bucată dintr-o linie pentru fabricarea organelor: trebuie să fie prevăzută cu un desen, material, iar apoi modelul rezultat al unui organ trebuie să fie crescut din celule. Acum să vedem pas cu pas cum sunt rezolvate toate sarcinile descrise mai sus.

Model de organ

Deci, se ia un fișier CAD (acum în format stl) cu un model al orgăi. Cel mai simplu mod de a obține un model este de a face o scanare tridimensională a pacientului însuși și apoi de a rafina datele manual. În prezent, modelele actuale sunt modelate în AutoCAD.

Modelarea este vizibilă. Structura 3D este ca o piesă obișnuită - doar în loc de plastic vor fi sferoide de țesătură.

Material

Materialul este luat - sferoide de țesut, care vor fi folosite pentru etanșare. Un hidrogel este folosit ca bază și acționează ca o structură de legătură. Imprimanta 3D imprimă apoi organul din aceste sferoide de țesut.

Primul experiment care confirmă că un întreg organ poate fi asamblat din bucăți: oamenii de știință au tăiat inima unui pui în fragmente și au topit-o la loc. Cu succes.

Acum întrebarea este de unde să obțineți celulele pentru acest material. Cele mai bune sunt celulele stem embrionare umane, din care se pot face celule pentru orice țesut prin diferențiere secvențială. Dar, după cum știm, nu le poți atinge. Dar puteți lua iPS - celule stem pluripotente induse. Ele pot fi făcute din măduvă osoasă, pulpă dentară sau țesutul adipos normal al pacientului - și sunt produse diverse companii La nivel mondial.

Schema este următoarea: o persoană merge la clinică, este supusă unei liposucție, țesutul adipos este înghețat și plasat într-un depozit. Dacă este necesar, se obține, celulele necesare sunt făcute din el (ATDSC, există un astfel de complex în Rusia) și apoi diferențiate în funcție de scopul propus. De exemplu, iPS poate fi făcut din fibroblaste, epiteliul renal poate fi făcut din acestea și apoi se poate face epiteliu funcțional.

Mașinile pentru producerea automată a unor astfel de celule sunt produse de General Electric, de exemplu.

Centrifuga. Prima etapă de separare a materialului de țesutul adipos.

Din aceste celule se formează bile în micro-caneluri speciale pe material dur. O suspensie celulară este plasată într-o adâncitură de pe matriță, apoi celulele cresc împreună pentru a forma o minge. Mai exact, un sferoid nu foarte neted.

Prelucrarea blocurilor structurale

Următoarea problemă este că celulele din cartuş sunt dornice să crească împreună. Sferoizii de țesut trebuie izolați unul de celălalt, altfel vor începe să crească împreună prematur. Acestea trebuie incapsulate, iar in acest scop se foloseste acid hialuronic, obtinut din ser de sange. Ai nevoie de foarte puțin din el - doar un strat subțire. De asemenea, „dispare” rapid după imprimare.

Sigiliu

Capul imprimantei 3D are trei extrudere: două duze cu gel și un dispozitiv care produce sferoizi de țesut. Prima duză cu gel conține trombina, a doua duză conține fibrinogen. Ambele geluri sunt relativ stabile până când se ating. Dar când proteina fibrinogenă este scindată de trombină, se formează monomerul de fibrină. Prin aceasta, sferoidele tisulare sunt ținute împreună ca betonul. Cu o adâncime a stratului corespunzătoare diametrului sferoidului, puteți aplica secvențial materialul rând cu rând - faceți un strat, fixați-l, treceți la următorul. Fibrina este apoi ușor degradată în mediu și spălată în timpul perfuziei, lăsând doar țesutul dorit.

Așa vor fi imprimate tuburile

Imprimanta imprimă în straturi de 250 de micrometri: acesta este un echilibru între dimensiune optimă bloc și riscul de hipoxie în sferoid. În jumătate de oră, puteți imprima o structură de țesut de 10x10 centimetri - dar acesta nu este încă un organ, ci o structură de țesut, „muci” în jargon. Pentru ca o structură să devină un organ, trebuie să trăiască, să aibă o formă clară și să îndeplinească funcții.

Microscop cu uriaș distanta focala se uită la un cub de sticlă cu o imprimantă 3D.

Cap de imprimare. Complexul este în prezent testat pe plastic. Imprimanta imprimă acum consumabile, dispozitive de matriță din plastic pentru crearea sferoizilor. În același timp, se efectuează teste pe o cutie sterilă pentru o imprimantă 3D cu dispozitivul electronic în funcțiune.

Post procesare

Principala întrebare este că celulele, în general, ar beneficia de acces la oxigen și nutrienți. În caz contrar, încep, aproximativ, să putrezească. Când organul este subțire, nu există probleme, dar de la câțiva milimetri acest lucru este important. Adevărat, un elefant, de exemplu, are cartilaj de până la 5 milimetri - dar sunt încorporați acolo unde este creat. presiune ridicata din cauza masei restului elefantului. Deci, pentru a preveni deteriorarea organului imprimat în timpul procesului de fabricație, este necesară microcirculația. Acest lucru se realizează prin imprimarea vaselor și capilarelor reale, plus utilizarea celor mai fine găuri de perfuzie realizate cu instrumente anorganice (în linii mari, blocurile structurale ajung pe o „frigăruie” de polimer, care este apoi îndepărtată).

Sigiliu din material

Asocierea tisulară a mai multor tipuri de celule fără amestecare

Viitorul organ este plasat într-un bioreactor. Acesta, simplificând foarte mult, este un borcan cu mediu controlat, în care substanțele necesare sunt furnizate intrărilor și ieșirilor organului, plus se asigură o maturare accelerată datorită influenței factorilor de creștere.

Iată ce este interesant - arhitectura unui organ este de obicei similară cu un obiect încapsulat familiar din OOP - o arteră de intrare, o venă de ieșire - și o mulțime de funcții în interior. Se presupune că bioreactorul va furniza intrarea și ieșirea necesare. Dar aceasta este încă o teorie; nici una nu a fost colectată încă. Dar proiectul a fost dezvoltat până la stadiul de „puteți asambla un prototip”.

A atârnat în laborator. Prima etapă este vizibilă: obținerea elementelor de bază, a doua este o imprimantă 3D cu trei extrudere, a treia trece de la un prototip la un model industrial, apoi se testează pe animale, apoi se merge la o IPO și se instalează în oameni.

Întreaga linie - sortator de celule, fabricator de sferoide de țesut, imprimantă, unitate de perfuzie

Piețele

Acum cine are nevoie de toate acestea în stadiul în care organele în sine nu sunt acolo?

Primii clienti mari– militare. De fapt, după cum ați putea ghici, DARPA vizitează toți oamenii de știință care lucrează la acest subiect. Au două utilizări - testarea (sunt multe lucruri care nu pot fi testate pe oameni vii, dar mi-ar plăcea - un organ separat ar fi foarte util) și terapeutic. De exemplu, brațul unui luptător pentru democrație este rupt și este nevoie de o zi pentru a se târâi la spital. Ar fi frumos să închidă gaura, să amelioreze durerea, să-i dai ocazia să tragă încă 5 ore și apoi să vină singur la asistentă. În teorie, sunt posibili fie roboți care vor asambla toate acestea la locul lor, fie petice din țesut uman, care sunt deja luate în considerare în mod serios pentru utilizarea pe arsuri.

Al doilea client – ​​farmacie. Acolo, medicamentele sunt testate timp de 15 ani înainte de a intra pe piață. După cum glumesc americanii, este mai ușor să ucizi un coleg decât un șoarece. Pe un mouse trebuie să aduni o grămadă de documente groase ca mâna ta. Șoarecii certificati ajung să fie foarte scumpi. Și rezultatele pentru animale diferă de cele pentru oameni. Modele existente testele pe modele cu celule plate și pe animale nu sunt suficient de relevante. Laboratorul mi-a spus că aproximativ 7% dintre noile formulări de medicamente din lume nu ajung la studiile clinice din cauza nefrotoxicității detectate în timpul testelor preclinice. Dintre cei care au avut, aproximativ o treime au avut probleme de toxicitate. De aceea, apropo, una dintre primele sarcini este testarea funcționalității nefronilor fabricați în laborator. Țesuturile și organele de la imprimantă vor accelera semnificativ dezvoltarea medicamentelor, iar aceasta este o sumă uriașă de bani.

Al treilea client sunt spitalele. Piața transplantului de rinichi din SUA, de exemplu, valorează 25 de miliarde de dolari. La început, planul este de a vinde pur și simplu imprimante 3D spitalelor, astfel încât pacienții să poată obține ceea ce au nevoie. Următorul pas (teoretic) este crearea unor complexe pentru imprimarea organelor direct în interiorul pacientului. Faptul este că este adesea mult mai ușor să livrezi un cap de imprimare în miniatură în interiorul unui pacient decât un organ mare. Dar acestea sunt încă vise, deși roboții necesari există.

Cam așa ar trebui să funcționeze

Da, mai este unul aici subiect important: În paralel, se efectuează cercetări privind controlul sferoizilor tisulari din cauza levitației magnetice. Primele experimente au fost simple - „nanofilks” de fier au fost introduse în țesătură, iar sferoidele au zburat de fapt așa cum ar trebui în câmpul magnetic și au fost livrate la locație. Dar diferențierea a avut de suferit. Este dificil să îndepliniți funcțiile necesare cu rumeguș. Următorul pas logic este metalul în stratul de încapsulare. Dar și mai cool sunt microschelele cu particule magnetice. Aceste schele acoperă sferoidul și pot acționa, de asemenea, ca un conector de cadru care se potrivește corect, ceea ce oferă o posibilitate enormă pentru imprimarea rapidă a organelor.