З чого друкують органи на 3д принтері. Створено перший серійний біопринтер

Перший біологічний 3D-принтер, спеціально розроблений у розрахунку на дрібносерійний, але все ж таки промисловий випуск, відкриває нові перспективи в галузі імплантації та відновлення органів і тканин. Такий результат співпраці американської компанії Organovo та австралійської Invetech.

Замість того, щоб намагатися виростити в пробірці орган або шматочок тканини. потрібної формиі заданих властивостей, куди ефективніше надрукувати його на біопринтері, вважають фахівці Organovo. У ролі чорнила такий апарат використовує запас культивованих клітин потрібного типу(епітеліальні, сполучні, м'язові), а прецизійна друкуюча головка під керуванням комп'ютера викладає клітини (і допоміжні речовини) у потрібному порядку.

Власне, перші вражаючі досліди у цій сфері проводилися ще кілька років тому. Над різними варіантами технології друку органів і досі працюють дослідники одразу в кількох інститутах та університетах. Іноді виникають тривимірної біологічної друку, відрізняються аспектами у складі «чорнил» і процесі формування їх цілої тканини.

Особливо досягли успіху на цій ниві професор Габор Форгач (Gabor Forgacs) і співробітники його лабораторії в університеті Міссурі, які розкрили нові тонкощі біодруку ще в 2007 році. Ми докладно розповідали про розвиток цієї технології, її перших великих успіхіві власне створення Organovo - її Форгач заснував якраз для комерціалізації своїх розробок.

В результаті з'явилася технологія NovoGen, в якій продумано всі необхідні деталі біодруку як у біологічній частині, так і в частині заліза. Перші експериментальні принтери для Organovo (і з її «ескізів») будувала компанія nScrypt. Але це були пристрої, необхідні для шліфування технології. Тепер настав час серійного випуску біопринтерів.

Як повідомляє Organovo у своєму прес-релізі, у травні 2009 року вона обрала як промисловий партнер компанію Invetech. Остання має більш ніж 30-річний досвід у проектуванні лабораторного та медичного обладнання, у тому числі — автоматизованого та комп'ютеризованого.

А на початку грудня першого примірника 3D-біопринтера, що втілює в собі технологію NovoGen, було відправлено з Invetech до Organovo. Новинку відрізняють компактні розміри, інтуїтивно зрозумілий комп'ютерний інтерфейс, високий ступіньінтеграції вузлів та висока надійність.

Новий принтер має такі скромні габарити, що його можна спокійно поставити в біологічну шафу для забезпечення стерильного середовища в процесі друку (фото Organovo).

Цей принтер має дві друкуючі головки. Одна заправляється цільовими «фарбами» (людські клітини печінки, нирок, стромальні клітини тощо), друга — допоміжними матеріалами (підтримує гідрогель, колаген, фактори росту).

Особлива гордість австралійських інженерів – лазерна калібрувальна система та роботизована система позиціонування головок, точність якої складає лічені мікрометри. Це дуже важливо для розміщення клітин у правильному положенні.

Перед нами перший у світі саме серійний біопринтер, адже вже найближчим часом Invetech має намір поставити ще кілька таких апаратів для Organovo, а вона вже займеться поширенням новинки в науковій спільноті. Перші зразки 3D-біопринтера від Organovo та Invetech будуть доступні для дослідницьких та медичних організацій 2010 року.

Зменшена копія людського вуха з біогеля

Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

Вчені з медичної школи Уейк-Форест представили біопринтер, який друкує з живих клітин людські тканини, здатні зберігати свою форму та приживатися в організмі. У перспективі, надруковані на біопринтері тканини та органи можуть замінити штучні протези. Робота дослідників опублікована в журналі Nature.

Для створення органів та тканин принтер використовує спеціальний гідрогель та пластиковий біорозкладний матеріал. Гідрогель є комбінацією з желатину, фібриногену, гіалуронової кислоти і гліцерину з досить високою концентрацією живих клітин. Спочатку принтер обережно шар за шаром створює з нього тривимірні об'єкти, а потім покриває їх зовнішньою оболонкою з полімеру, що розкладається. Ця оболонка допомагає тримати органам та тканинам форму.

Після того, як тканини пересаджують в організм, полімерна оболонка поступово розкладається. У той самий час клітини починають самостійно виділяти матрикс, який забезпечує механічну підтримку клітин, і, зрештою, потреба у допоміжному матеріалі відпадає. Весь обсяг штучної тканини пронизує мережу мікроканалів, якими до клітин надходять кисень і поживні речовини.

на даний моментвчені створили гелевий аналог кістки склепіння черепа щура на основі стовбурових клітин людини з амніотичної рідини, зменшені копії людського вуха з хондроцитів кролика та кілька «м'язів» з використанням мишачого міобласту C2C12. Всі зразки дослідники перевірили в лабораторних та в природних умовах, вжививши їх під шкіру щурів та мишей.

Результати, на думку вчених, виявилися багатообіцяючими. Вушні раковини, підсаджені мишам, через два місяці зберегли форму, а також у них на 20 відсотків збільшився вміст глікозаміногліканів, які входять до складу клітинного матриксу. М'язова тканина, витягнута вздовж опорної конструкції, через два тижні також зберегла свої механічні характеристики. Малогомілковий нерв, вживлений в імплант, також зберіг свою цілісність і в тканині спостерігалися нервові контакти з BTX + всередині імпланта. У гелевому аналогу кістки склепіння черепа у щурів через п'ять місяців сформувалася васкуляризована кісткова тканина.

За словами авторів, тепер необхідно з'ясувати, наскільки безпечними є надруковані на біопринтері імпланти для людей. Найімовірніше, спочатку тестуватимуться хрящові структури, тобто вушні раковини, оскільки на відміну м'язів і кісток, хрящу не потрібна велика система кровоносних судин.

Ідея 3-D друку органів, загалом, не нова. Вчені активно працюють над цією технологією, оскільки вона не лише дозволить створювати біоімпланти для пересадки людям, а й, наприклад, проводити клінічні випробування ліків на окремих органах та тканинах. Так, компанія Organavo зараз займається тривимірною печаткою ниркових тканин для випробувань ліків.

Христина Уласович

3D-принтери сьогодні використовуються у багатьох сферах нашого життя, дозволяючи створювати різноманітні декоративні елементи для інтер'єру, протези для органів людини, дизайнерські прикраси чи навіть шоколад. Але наука не стоїть на місці, і сьогодні вже планується 3D-друк органів із біологічного матеріалу. Це справжнісінький революційний прорив, оскільки донорські органи – великий дефіцит.

Особливості друку органів на 3д-принтері

Створення функціонуючих органів людини за допомогою 3D-друку дозволило б вирішити найголовнішу проблему - нестачу цих органів, щоб врятувати мільйони пацієнтів по всьому світу. Ідея про вирощування людських органів виникла ще в минулому столітті, але до моменту появи біодруку втілити їх у реальність було неможливо. В Інституті регенеративної медицини першими стали створювати синтетичні будівельні блоки для вирощування сечового міхура на основі 3D-друку. Однак перший друк з'явився лише у 2000-ті роки.

Перший 3D-принтер для біодруку: Organovo

Компанія Organovo у 2010 році першою запустила друк людських органів. Сьогодні фахівці компанії активно займаються спробами створити зразки печінки, але їх поки що не можна використовувати для трансплантації. 3д друк органів за ступенем складності перевищує звичайні пристрої для тривимірного друку, однак загальних рис цих двох процесів чимало:

• Застосовуються картриджі та друкуючі головки,
• Замість чорнила використовується біоматеріал,
• Формування органу ведеться пошарово спеціальної робочої поверхні.

Однак перед печаткою кожна деталь проходить низку перевірок. Для початку сам пацієнт проходить процедури КТ-сканування та МРТ. Отримані результати обробляються за допомогою комп'ютера, після чого створюється макет – він використовується в принтері, щоб визначити місця і способи нанесення клітин. Біологічні принтери працюють на основі людських клітин того органу, синтез якого проводиться, або на основі стовбурових клітин. Цілісна структура органу виходить завдяки спеціальній скріплюючій речовині, яка є в картриджі.

Відразу після завершення друку створений орган міститься в спеціальні умовив інкубаторі – це необхідно для того, щоб клітини розпочали розподіл та синхронізацію у спільній роботі.

У чому проблеми?

Біопринтер для друку людських органів Organovo – це сучасний пристрій, за яким велике майбутнє. Проте є низка проблем, пов'язаних із цим нелегким та трудомістким процесом:

1. Дефіцит матеріалу, який можна було б використовувати для людських органів.
2. Складність і в проростанні клітин поза тілом людини: наші органи влаштовані дуже складно, тому налагодити роботу штучного органу дуже важко.
3. Обмеженість технічних можливостей. По-перше, не вистачає якісного та потужного обладнання, що дозволяє створювати максимально наближені до натуральних людські органи. По-друге, дуже важко змусити клітини працювати злагоджено, оскільки потрібне виробництво ще й кровоносних судин – саме вони сприяють правильному функціонуванню органів. До речі, перші шаблони кровоносних судин вже було зроблено в університеті Бригама Янга. Для їхнього створення використовувався лінійний полісахарид агарози.

Особливості роботи біологічного 3D-принтера

– процес непростий, тому й сам пристрій має низку особливостей. Біопринтер хороший тим, що він працює без використання основи, що підтримує. Organovo працює на основі стовбурових клітин, які одержують з кісткового мозку. Саме ці клітини формуються у маленькі крапельки діаметрів від 100 до 500 мікрон, які добре тримають форму та дозволяють вести якісний друк. Суть цього процесу в наступному: першою друкуючою головкою викладаються крапельки з клітинами в потрібній послідовності, а друга розпорошує підтримуючу основу. У цій якості використовується гідрогель на основі цукрової пудри, який не вступає у взаємодію з клітинами. Після завершення друку отримана структура залишається на кілька днів, щоб відбулося зчеплення крапель один з одним.

Можлива із застосуванням інших матеріалів та підтримуючих основ. Наприклад, клітини печінки можна нанести на заздалегідь підготовлену основу у вигляді цього органу.

Які перспективи?

3D-технології друку сьогодні дуже популярні, у тому числі у сфері створення людських органів. Однак поки що друк органів на принтері має низку проблем. Припустимо, що створена компанією Organovo печінка була повністю ідентична людській, виконувала всі її функції, проте синтезований орган зміг проіснувати близько 40 днів. Нещодавно були створені за допомогою 3D-друку клапани серця, вени, а ось друк повноцінного серця поки неможливий. Сьогодні все більше розмов про створення 3D-нирок, які можна було б трансплантувати людині.

Вчені Organovo вважають, що створювати органи можна і без структури, що підтримує, оскільки живі клітини можуть самоорганізуватися. При цьому вони зазначають, що 3D-друк органів має чотири рівні складності:

1. Найпростіші для друку – плоскі структури одного виду клітин, наприклад, шкіра.
2. Другі за ступенем складності – трубчасті структури, наприклад, кровоносні судини.
3. На третьому рівні складності порожнисті органи (сечовий міхур чи шлунок).
4. І найскладніші для друку органи – печінка, нирки та серце.

Крім того, технологія 3D-друку органів може застосовуватись і в інших сферах. Наприклад, через 3D-сканування можна створювати кістки, щоб повернути людині можливість рухливого способу життя. Біологічний принтер дозволяє створити структури, що підтримують скелет: це сприяє швидкому лікуванню пацієнтів. На створених за допомогою 3D-друку органах можна тестувати ліки, щоби виявити їх побічні ефекти.

На 3D-принтерах з 2012 року можна роздрукувати протези та імпланти опорно-рухового апарату людини. Хребці та міжхребцеві диски із пластику та гуми вже зараз досить добре освоєні та поступово освоюється складніший рівень — друк людських органів та частин тіла на клітинному рівні. У клініках США, Європи та Японії, які попереду планети всієї науковим дослідженнямв медицині, прямо зараз експериментують зі стовбуровими клітинами, щоб створювати такі частини тіла, які повністю вживлялися в людське тіло.

Щоб ви краще уявили собі розмах прогресу, можна навести дані Oxford Performance Materials, які говорять про 450 тисяч пацієнтів по всьому світу та інвестиції на 2 млрд. дол. Викликає сумнів використання стовбурових клітин та власних клітин людини, однак саме такий матеріал повністю виключить ризик відторгнення . Стовбурові клітини є не єдиним ресурсом для 3D-принтера, вчені вже працюють над комбінацією пластикових волокон і живих клітин, без якої немислимо створення по-справжньому складних органів. Погодьтеся, одна справа роздрукувати протез кістки, а інша частина печінки або серця.

Поки що повністю такі складні органи зробити не можуть, а от, наприклад, надруковану шкіру вже використовують для пересадки в опіковому центрі США. Меценати і просто бізнесмени по всьому світу вкладаються в медичну 3D - друк, за даними дослідження Grand View Research, до 2020 року обсяг ринку 3D-друку буде більше мільярда доларів, самі принтери будуть стрімко дешевшати, а там рукою подати до випуску масових, домашніх моделей. .

Які успіхи медицина може надати нам на даний момент?

Череп

У березні минулого року хірурги замінили 75% черепа на пластиковий протез. Окремі кістки на кшталт щелепних «вмонтувалися» в голову людини і раніше, однак таких масштабів заміни ще ніхто не виробляв, тим більше одноетапно і за допомогою 3D-принтера.

Хребет

Як уже написано вище, заміна хребців та міжхребцевих дисків справа майже освоєна, проте зовсім недавно китайці здійснили новий прорив і зробили замінили 12-річному хлопчику хребець із пухлиною спинного мозку. Матеріал зробили пористим, тому постійно міняти хребець не доведеться - він просто обросте новою кістковою тканиною і стане невід'ємною частиною тіла.

Вухо

Біонічне вухо було створено з клітин теляти, полімерного гелю та наночастинок срібла. В результаті медики Прінстонського університету створили справжнє «вухо майбутнього», яке здатне сприймати радіохвилі, які не вловлюються звичайним людським вухом. За словами вчених, вони можуть освоїти «підключення» такого вуха до нейронів головного мозку, щоб він міг сприймати почуте.

Зародок

Не зовсім живий орган, однак, японська компанія«Fasotec» за допомогою магнітно-резонансного томографа друкують у прозорому кубі, що імітує утробу матері, точну копію вашої майбутньої дитини. Виглядає одночасно і фантастично і лякаюче, але поки що цей наскрізь комерційний проект подобається медикам, адже за його допомогою можна буде спостерігати за правильним розвитком плоду, практично тримаючи модель дитини в руках.

Руки

Коли уродженцю Південної Африки Річарду Ван Есу відрубало пальці правої руки у столярній майстерні, він знайшов Айвана Оуена з Вашингтона, який створив прототипи механічних рук. Разом вони заснували компанію Good Enough Tech, розробили Robohands, і освоїли друк «роборук» на 3D-принтері, суттєво здешевивши кінцеву вартість продукту. Заручившись підтримкою компанії Makerbot, яка позичила їм і принтери та ресурси для друку, ці два ентузіасти допомогли вже більш ніж 200 людям по всьому світу.

Печінка

Повний орган надрукувати поки що не вдається, зважаючи на його складність, проте вже зараз освоєно друк тканини печінки з гепатоцитів, зірчастих клітин і клітин епітелію. Успіх цей датований 2013 роком, тому цілком можливий науковий прорив до «роздруківки» цілої печінки вже найближчим часом.

Ніс

Корейські лікарі та дослідники успішно відновили штучний ніс, зроблений на 3D принтері шестирічному хлопчику. Нерха, хлопчик із Монголії, народився без носа та ніздрів, що вкрай рідко зустрічається. Немовлята, які народилися без носа, можуть дихати належним чином, і більшість із них помирає протягом 12 місяців. Лікарі з Сеула, куди батьки привезли хлопчика, створили структуру підтримки дихальних шляхів, використовуючи технологію 3д друку. У серії операцій лікарі відновили носа Нерхи. Ніздрі пацієнта були створені за допомогою його кісткової тканини. Тепер він може нормально дихати і виглядає набагато краще.

«Друк» людських органів на 3D-принтері

Підписуйтесь на Квібл в Viber і Telegram, щоб бути в курсі найцікавіших подій.

UPD: Власники лабораторії - Інвітро - тепер є на Хабрі Заніс у їхній корпоративний блог. З питаннями можна звертатися безпосередньо до них.

Це з нової лабораторії 3D-друку органів. Попереду значний мікроскоп, далі видно двох медичних інженерів за AutoCAD – роблять макет майданчика для формування тканинних сфероїдів.

Тут нещодавно відкрилася лабораторія 3D-біопринтингу органів (проект Інвітро). Навколо неї твориться якась люта феєрія нерозуміння того, що саме робиться. Загалом хоч я і не мікробіолог, але мені стало цікаво. Я пробився до розробника – В.А. Миронова. Саме він винайшов технологію друку органів та запатентував це у США, брав участь у розробці вже трьох модифікацій біопринтерів, і саме він «головний з науки» у новій лабораторії в Москві:

В.А. Миронов (M.D., Ph.D., професор із 20-річним досвідом у мікробіології, зокрема, на кордоні з IT) - у процесі півторагодинного пояснення мені суті технології змалював купу паперу.

У двох словах про друк він розповісти не зміг, бо спочатку треба зрозуміти деяку історію питання. Наприклад, чомусь довелося відкинути світлу ідею вирощувати ембріона без голови в сурогатній матері, а потім виймати з нього нирку і поміщати її в біораставор для прискореного дозрівання.

А поки що головне. Не поспішайте пити все, що горить: до нової печінки ще дуже далеко. Поїхали.

Еволюція методів

Отже, спочатку була генна терапія: пацієнту запроваджувалися відповідні комплекси. Виділялися певні клітини, у яких вводилися необхідні гени, потім клітини розміщувалися в людини. Бракувало інсуліну – ось ген, який продукує його створення. Беремо клітинний комплекс, модифікуємо, вколюємо пацієнту. Ідея – відмінна, правда з одним корінним недоліком: пацієнт виліковується одразу, і купувати після операції нічого не треба. Тобто здогадайтеся, кому це було поперек горла. Справа йшла складно, а потім один із пацієнтів помер – і почалася характерна для США хвиля судових позовів та заборон, внаслідок чого дослідження довелося згорнути. У результаті - спосіб є, але до ладу не протестований.

Наступним трендом стала клітинна терапія- Використання ембріональних стовбурових клітин. Метод відмінний: беруться «універсальні» клітини, які можуть бути розвинені до будь-яких необхідних для пацієнта. Проблема в тому, щоб їх десь отримати, потрібен ембріон. Ембріон у процесі одержання клітин, очевидно, витрачається. А це вже морально-етична проблема, яка спричинила заборону використання таких клітин.

Далі тканинна інженерія- Це коли ви берете основу, кладете на неї клітини, засовуєте все це в біореактор, на виході отримуєте результат (орган), який потрібний пацієнту. Як протез, лише живий. Ось тут важливий момент: основна відмінність від протезу в тому, що протез спочатку з неорганіки, і навряд чи колись вбудується в організм «як рідний». Дерев'яну ногу не почухаєш.

Методи тканинної інженерії бувають каркасні- коли використовується вилужений (знеструмлений) трупний орган, який потім «заселяється» клітинами пацієнта. Інші наукові групи намагалися працювати зі свинячими білковими каркасами органів (донори-люди не потрібні, натомість на повний ріст встає імуносумісність). Каркаси бувають штучні - з різних матеріалів, деякі наукові групи експериментували навіть із цукром.

Сам Миронов практикує безкаркасну технологію(з використанням гідрогелю як основу). У його способі основа-полімер швидко деградує і в результаті залишається тільки клітинний матеріал. Простіше кажучи, спочатку вставляється каркас з необмеженої з розміщеними клітинами, а потім каркас «розчиняється», і його функції беруть на себе самі клітини органу, що вже підріс. Для каркасів використовується той же матеріал, що для хірургічних швів: він легко та просто деградує в організмі людини.

Тут головне питання- Чому потрібна саме 3D-друк. Щоб це зрозуміти, давайте закопаємося ще трохи глибше в наявні методи тканинної інженерії.

Наближаємося до мети

Взагалі, ідея вставляти в людину заздалегідь вирощений органічний орган – чудова. Подивимося на три варіанти розвитку технології:

1. Ви берете каркас із неорганіки, засіюєте його клітинами – і отримуєте готовий орган. Метод грубий, але працюючий. Саме про нього йдеться в більшості випадків, коли кажуть «ми надрукували орган». Проблема в тому, що десь треба взяти «будматеріал» – самі клітки. А якщо вони є, то безглуздо використовувати якийсь зовнішній каркас, коли є можливість просто зібрати орган із них. Але найболючіша проблема – неповна ендотелізація. Наприклад, для бронхів, зроблених так, рівень – близько 70%. Це означає, що поверхневі судини тромбогенні – виліковуючи пацієнта, ви одразу ж привносите йому нову хворобу. Далі він повинен жити на гепарині або інших препаратах, або чекати, коли утворюється тромб та емболія. А тут уже з нетерпінням чекають на юристів США, які готові відіграти за старим сценарієм. І проблему ендотелізації поки що не вирішено. Можливий варіант– виділення клітин-попередників кісткового мозку за допомогою мобілізації спеціальними препаратами та хомінгом на органі, але це поки що дуже далека від практики фантазія.
2. Другий метод вкрай оригінальний і дуже тішить своєю цинічністю. Беремо клітину (фібробласт) пацієнта, додаємо 4 гени. Кладемо отриману клітину в бластоцисту (зародка тварини) і починаємо вирощувати звірятко. Виходить, наприклад, свиня із людською підшлунковою залозою – так звана химера. Орган повністю «рідний», тільки вся інфраструктура навколо – кровоносні судини, тканини тощо – від свині. А вони відторгатимуться. Але нічого. Ми беремо свиню, вирізаємо потрібний орган (свиня при цьому повністю витрачається), а потім забираємо за допомогою спеціальної обробки всі свинячі тканини – виходить органічний каркас органу, який можна використовувати для вирощування нового. Деякі дослідники пішли далі і запропонували наступний лафхак: давайте замінимо свиню на сурогатну матір. Тут як: крім 4 генів у клітину додається ще один, який відповідає за ацефалію (відсутність голови). Наймається сурогатна мати, яка виношує нашого спільного друга-ембріона. Він розвивається без голови, ацефали це добре виходить. Потім - УЗД, з'ясування, що дитина виходить неповноцінний, та юридично-дозволений аборт. Немає голови – немає людини, отже, нікого ми не вбивали. І тут – раз! - У нас тут виник теоретично легальний біоматеріал з нерозвиненими органами пацієнта. Швидко імплантуємо їх! З очевидних мінусів – ну, крім моральної сторони – організаційна складність та можливі юридичні ускладнення у майбутньому.
3. І, нарешті, є третій метод, про який і йдеться.. Він же найсучасніший – тривимірний друк органів. І саме ним займаються у новій лабораторії. Сенс такий: не потрібні неорганічні каркаси (клітини самі себе чудово тримають), не потрібно в когось брати органи. Пацієнт віддає трохи своєї жирової тканини (є в кожного, в ході експериментів скаржилися лише худі японці), з неї методом послідовної обробки клітин виходять необхідні конструкційні елементи. Створюється тривимірна модельоргана, що конвертується в CAD-файл, потім цей віддається 3D-принтеру, який вміє друкувати нашими клітинами і розуміє в яку точку тривимірного простору йому потрібно «укласти» конкретний тип клітини. На виході – тканинний конструкт, який треба помістити у спеціальне середовище, доки не почалися проблеми з гіпоксією. У біорекаторі тканинний конструкт «дозріває». Потім орган можна "трансплантувати" пацієнтові.

Очевидні складні місця методу такі:

1. Одержання моделі органу. Потрібно десь узяти схему. Це досить просто.
2. Отримання самих клітин. Очевидно, нам потрібний матеріал для друку органу.
3. Складання принтера, щоб клітинами можна було друкувати (купа проблем з утворенням структури органу).
4. Гіпоксія (відсутність кисню) під час створення органу.
5. Реалізації харчування органу та його дозрівання до готовності.

Отже, 3D-принтер – це лише шматок лінії по фабрикації органів: його потрібно забезпечити кресленням, матеріалом, а потім отриману модель органу із клітин ще виростити. Тепер давайте подивимося по кроках, як усі описані вище завдання вирішуються.

Модель органу

Отже, береться файл CAD (зараз - формат stl) з моделлю органу. Найпростіше отримати модель, зробивши тривимірне сканування самого пацієнта, а потім доопрацювавши дані руками. Нині поточні конструкти моделюються у AutoCAD.

Видно моделювання. 3D-структура як у звичайної деталі – тільки замість пластику будуть тканинні сфероїди.

Матеріал

Береться матеріал – тканинні сфероїди, якими йтиме запечатка. Як основа використовується гідрогель, що виконує функції сполучної структури. Потім 3D-принтер друкує орган з цих тканинних сфероїдів.

Перший досвід, що підтверджує, що зі шматочків можна зібрати цілий орган: вчені розрізали на фрагменти серце курчатка і зросли заново. Успішно.

Тепер питання – де взяти клітки для цього матеріалу. Найкращі – людські ембіональні стволові, з них можна зробити клітини для будь-якої тканини послідовним диференціюванням. Але їх чіпати, як ми знаємо, не можна. Зате можна брати iPS – індуковані плюрипотентні стволові клітини. Їх можна зробити з кісткового мозку, пульпи зуба або звичайної жирової тканини пацієнта – і їх виробляють різні компаніїу всьому світі.

Схема така: людина звертається до клініки, робить ліпосакцію, жирова тканина заморожується та кладеться у репозиторій. За потреби – дістається, з неї робляться необхідні клітини (ATDSC, один такий комплекс є в Росії) і потім диференціюються за призначенням. Наприклад, із фібробластів можна зробити iPS, з них – нирковий епітелій, а далі – функціональний епітелій.

Машини автоматичного отримання таких клітин виробляються General Electric, наприклад.

Центрифуги. Перший етап відділення матеріалу із жирової тканини.

З цих клітин формуються кульки у спеціальних мікропоглибленнях на твердому матеріалі. У поглиблення на молді міститься клітинна суспензія, потім клітини зрощуються і утворюється кулька. Точніше – не дуже рівний сфероїд.

Обробка конструкційних блоків

Наступна проблема – клітини у картдиджі горять бажанням зрости. Тканинні сфероїди мають бути ізольовані одна від одної, інакше вони почнуть зростатися раніше терміну. Їх потрібно інкапсулювати, і для цього використовується гіалуронова кислота, яка одержується із сироватки крові. Її треба зовсім мало - просто один тонкий шар. Вона також швидко «відходить» після друку.

Друк

Головка 3D-принтера має три екструдери: дві форсунки з гелем та пристрій, що видає тканинні сфероїди. У першій форсунці з гелем – тромбін, у другій – фібриноген. Обидва гелі відносно стабільні, поки не стикаються. Але коли фібриноген білок розщеплюється тромбіном, утворюється фібрин-мономер. Саме ним як бетоном скріплюються тканинні сфероїди. При глибині шару, що відповідає діаметру сфероїда, можна послідовно наносити матеріал рядом за рядом – зробили шар, закріпили, перейшли до наступного. Потім фібрин легко деградує в середовищі та вимивається при перфузії, і залишається лише потрібна тканина.

Ось так друкуватимуться трубочки

Принтер друкує шарами по 250 мікрометрів: це баланс між оптимальним розміромблоку та ризиком гіпоксії у сфероїді. За півгодини можна надрукувати тканинно-інженерну конструкцію 10х10 сантиметрів – але це ще не орган, а тканинно-інженерна конструкція, «сопля» на жаргоні. Щоб конструкція стала органом, вона має жити, мати чітку форму, нести функції.

Мікроскоп з величезним фокусною відстаннюдивиться на скляний куб із 3D-принтером.

Друкувальна голівка. Поки що йдуть тести комплексу на пластиці. Принтер зараз друкує витратний матеріал, пластикові пристрої-молди для створення сфероїдів. Паралельно йдуть тести стерильного боксу для 3D-принтера при електронному пристрої, що працює.

Постобробка

Головне питання - це те, що клітинам, взагалі-то, не погано б мати доступ до кисню та поживних речовин. Інакше вони починають, грубо кажучи, гнити. Коли орган тонкий, проблем немає, але вже з кількох міліметрів це важливо. Щоправда, у слона, наприклад, є хрящі до 5 мм – але вони вмонтовані там, де створюється великий тискчерез масу решти слона. Отож, щоб надрукований орган не зіпсувався у процесі фабрикації, потрібна мікроциркуляція. Це робиться печаткою справжніх судин і капілярів, плюс за допомогою найтонших перфузійних отворів, що проробляють неорганічні інструменти (грубо кажучи, конструкційні блоки надходять на полімерному «шампурі», який потім виймається).

Ущільнення тканини

Тканинне поєднання кількох типів клітин без змішування

Майбутній орган міститься в біореакторі. Це, сильно спрощуючи, банку з контрольованим середовищем, у якій на входи і виходи органу подаються необхідні речовини, плюс забезпечується прискорене дозрівання рахунок впливу чинниками зростання.

Ось що цікаво – архітектура органу зазвичай схожа на звичний по ОВП інкапсульований об'єкт – артерія входу, вена виходу – та купа функцій усередині. Передбачається, що біореактор дозволить забезпечувати необхідний вхід та вихід. Але це поки що теорія, зібрати ще не вдалося жодного. Але проект відпрацьований до стадії "можна збирати прототип".

Висіло у лабораторії. Видно перший етап: отримання базових елементів, другий – 3D-принтер з трьома екструдерами, третій – уникнення прототипу до промислової моделі, потім випробування на тваринах, потім вихід на IPO та встановлення людей.

Лінія цілком - клітинний сортер, фабрикатор тканинних сфероїдів, принтер, перфузійна установка

Ринки

Тепер комусь все це потрібно на стадії, поки немає самих органів.

Перші ж великі клієнти- Військові. Власне, як не важко здогадатися, DARPA ходить у гості до всіх вчених, котрі займаються такою темою. У них два застосування - випробувальне (багато що не можна відчувати на живих людях, а хочеться - окремий орган був би дуже доречним) і лікувальне. Наприклад, бійцю демократії відриває руку, а до шпиталю повзтиме добу. Добре було б закрити дірку, зняти біль, дати йому можливість стріляти ще 5 годин, а потім на своїх двох прийти до медсестри. Теоретично можливі або роботи, які зберуть все це за місцем, або латки з людських тканин, які вже зараз всерйоз думають ставити на опіки.

Другий клієнт – фарма. Там ліки випробовуються по 15 років до виходу ринку. Як жартують американці, простіше вбити колегу, ніж мишку. На мишку треба зібрати купу документів у руку завтовшки. Сертифіковані мишки виходять у результаті дуже дорогі. Та й результати звірятко відрізняються від людських. Існуючі моделівипробувань на плоских клітинних моделях і тварин мало ревалентны. У лабораторії мені сказали, що приблизно 7% нових лікарських формул у світі не доходять до клінічних випробувань через нефротоксичність, виявлену на стадії преклінічних випробувань. З-поміж тих, що дійшли, близько третини мають проблеми з токсичністю. Саме тому, до речі, одне з перших завдань – перевірка функціональності нефронів, зроблених у лабораторії. Тканини та органи з принтера будуть суттєво прискорювати розробку ліків, а це величезні гроші.

Третій клієнт – госпіталі.Ринок трансплантації нирок із США, наприклад – 25 мільярдів доларів. Спочатку передбачається просто продавати 3D-принтери до лікарень, щоб пацієнт міг отримати що потрібно. Наступний (теоретичний) крок – створення комплексів для друку органів усередині пацієнта. Справа в тому, що мініатюрну друкувальну головку всередину хворого доставити часто набагато простіше, ніж великий орган. Але це поки що мрії, хоча потрібні роботи існують.

Ось приблизно так воно має працювати

Так, тут є ще одна важлива тема: Паралельно ведуться дослідження з управління тканинними сфероїдами за рахунок магнітної левітації. Перші досліди були прості – у тканину засовувалися залізні «нанотирса», і сфероїди справді літали як слід у магніному полі і доставлялися за місцем. Але страждало диференціювання. З тирсою складно виконувати потрібні функції. Наступний логічний крок – метал в інкапсулюючому шарі. Але ще крутіше – мікроскафолди з магнітними частинками. Ці скафолди охоплюють сфероїд і можуть виступати у ролі каркаса-соединителя, що постає відразу за місцем, що дає величезний простір для оперативної друку органів.