Когда неискушенный обыватель слышит о 3D печати в медицине, он, как правило, представляет себе картину, далекую от реальности… Выглядит она примерно так: врачи берут прямо из лотка принтера напечатанную свежую почку или кусочек кожи, а пациенты вместо долгих очередей на трансплантацию получают «с пылу с жару» нужный им орган… Увы, пока это только фантастика… А какова реальность? Действительно ли мы стоим на пороге эпохи, где органы можно «распечатать по заказу», или это пока лишь красивый «мираж от науки»? Разбираемся в нашей статье.
Как рождалась 3D-биопечать: от первых экспериментов до печати органов
Истоки 3D-биопечати берут свое начало в середине 1980-х, а именно в 1984 году, когда Чарльз Халл, американский изобретатель и главный директор по технологиям компании 3D Systems (США), представил метод стереолитографии – первую технологию трехмерной печати. Хотя изначально она применялась для создания пластиковых прототипов, именно это изобретение заложило основу всех последующих направлений 3D-печати.
3D-биопечать выросла на стыке клеточной биологии, материаловедения и 3D-печати и начиналась с опытов, во время которых ученые для образования зачатков тканей пробовали «подсаживать» клетки на искусственные каркасы, которые в то время получали формованием из биосовместимых полимеров.
В наши дни речь идет уже о сложных биопринтерах, которые способны печатать фрагменты кожи, хряща и даже более сложные структуры. Технология 3D-биопечати открывает путь к созданию персонализированных имплантов, новых систем для тестирования лекарств и, возможно, в будущем — полноценных органов для трансплантации.
А теперь о главных шагах, пройденных на пути к сегодняшним технологиям.
1. Уже в 1988 году доктор Роберт Дж. Клебе из Техасского университета впервые применил струйный принтер HP Inkjet для печати клеток методом цитоскрибирования, при котором клетки наносились на поверхность, словно капли краски, только вместо рисунка формировались зачатки живых тканей.
2. В 1990-е годы венгерский физик-теоретик Габор Форгач, впоследствии основавший первую компанию в области 3D-биопечати – Organovo (США), выдвинул идею объединять живые клетки в трехмерные структуры. Это положило начало 3D-печати органов человека и целой эпохе исследований в области биоматериалов и регенеративной медицины.
3. Прорывным для биопечати стал 1999-й год, когда команда профессора Энтони Аталы в Институте регенеративной медицины Уэйк Форест (США) разработала первый в мире искусственный орган — мочевой пузырь, который был создан на каркасе из клеток самого пациента. Впоследствии мочевые пузыри получили еще девять пациентов. Позже Атала представил на ежегодной конференции TED (прим. ред.: от англ. technology, entertainment, design — технологии, развлечения, дизайн) и прототип биопечатной почки, показав, как может выглядеть будущее трансплантологии.
4. В 2000 году американский биоинженер Томас Боланд обратил внимание, что размер человеческой клетки примерно равен капле струйных чернил. Он заправил принтеры Lexmark и HP раствором живых клеток и сумел «напечатать» фрагмент ДНК. Спустя три года эта технология была официально описана и запатентована.
5. В 2009-м компания Organovo представила коммерческий биопринтер NovoGen MMX, на котором были напечатаны кровеносные сосуды — важный прорыв на пути к созданию полноценного органа.
6. В 2019 году чикагская компания Biolife4D продемонстрировала первое миниатюрное четырехкамерное сердце, напечатанное из биочернил. Хотя оно было размером с кроличье, проект доказал принципиальную возможность печати сложных органов с сосудистыми структурами.
Сегодня 3D-биопечать остается молодой, но стремительно развивающейся областью. В разных странах ведутся десятки исследований, ученые по всему миру работают над тем, чтобы превратить фантастику в реальность — и однажды подарить пациентам органы, напечатанные специально для них.
Как устроен биопринтер и что такое биокаркас и биочернила
3D-биопечать или, другими словами, биофабрикация, – это по сути своей «строительство» органа или ткани по заранее подготовленной цифровой модели. Биопринтеры, как и обычные 3D-принтеры, работают по принципу послойного создания объектов. В отличие от традиционных 3D-принтеров, которые используют пластики, специальную фотополимерную композицию или металлы, биопринтеры работают с так называемыми «биочернилами» — смесями живых клеток и биосовместимого материала, который создакт мягкую, похожую на естественную ткань среду и выполняет сразу несколько функций:
- поддержка клеток — формирует каркас, в котором клетки удерживаются на нужных позициях;
- питательная среда — удерживает воду, кислород и питательные вещества, обеспечивая выживаемость клеток;
- совместимость с тканями — большинство используемых материалов биоразлагаемые и не вызывают сильного иммунного ответа.
В качестве биосовместимых материалов для биочернил используют в основном желатин, альгинат, хитозан и коллаген, а для прочных структур: костей, хрящей применяют биоразлагаемые полимеры, такие как полилактид или поликапролактон. В большинстве случаев к биочернилам добавляют факторы роста, небольшие наночастицы и разные наполнители, например, экстракты растений, позволяющие стимулировать дифференцировку клеток или добавить полезные свойства ткани.
После приготовления биочернила загружаются в специальные картриджи или шприцевые модули принтера и затем подаются в рабочую область принтера, где слой за слоем формируется нужная структура — например, кусочек ткани. В процессе печати важно сохранить жизнеспособность клеток, поэтому внутри биопринтера поддерживается стерильная среда, регулируются температура и влажность.
Подобно обычной принтерной печати, биопечать бывает основана на разных технических принципах.
- Экструзионная биопечать (EB, Extrusion-Based Bioprinting) – биочернила выдавливаются через сопло под давлением, слой за слоем, формируя трехмерную структуру.
- Струйная (инжекционная) биопечать (JB, Jet-Based Bioprinting) – биочернила распыляются каплями на подложку, аналогично обычной струйной печати на бумаге.
- Лазерная биопечать (LAB, Laser-Assisted Bioprinting) – лазерный импульс переносит микрокапли биочернил с донорской подложки на приемную поверхность. Метод позволяет точно позиционировать клетки без прямого контакта сопла с материалом.
- Стереолитографическая биопечать (SLA-B, Stereolithography Bioprinting) –здесь биосовместимый фотополимерный гель затвердевает под действием света. Печать ведется послойно, формируя точную трехмерную структуру. Такой метод часто используется для скаффолдов (прим. ред.: рассасывающихся каркасов для тканей). Скаффолды могут быть напечатаны вместе с клетками или отдельно, после чего их засевают необходимыми клетками. Эти каркасы постепенно рассасываются, уступая место развивающейся живой ткани.
Ключевые этапы 3D-биопечати
Процесс 3D-биопечати состоит из нескольких ключевых шагов.
- Сбор и подготовка клеток.
Клетки получают либо у пациента, либо используют готовые клеточные линии — лабораторно выращенные клетки, способные длительно делиться и сохранять свои свойства. Полученные клетки затем культивируют до необходимого количества, иногда стимулируя их рост с помощью факторов роста или специальных условий. - Создание биочернил.
Затем клетки смешиваются с биоматериалом и другими компонентами, формируя жизнеспособную композицию. Состав подбирают под тип ткани: кожа, хрящ, сосуды или органы. - 3D-моделирование органа.
С помощью КТ, МРТ или рентгенографии создается точная 3D-модель органа или ткани пациента. Затем формируется специальный программный код, который загружается в биопринтер. - Печать структуры.
Биопринтер наносит биочернила слой за слоем, формируя структуру, которая служит каркасом для прикрепления и роста клеток.
- Созревание и интеграция.
После печати структура помещается в биореактор, где поддерживаются оптимальные условия для роста клеток: температура, питание и механические нагрузки. Клетки развиваются, формируя полноценную ткань. - Использование или трансплантация.
Сформированные ткани могут пересаживаться пациентам или использоваться для тестирования лекарств и моделирования заболеваний в лаборатории.
Более наглядно принцип биопечати можно представить на примере работы команды профессора Энтони Аталы по созданию мочевого пузыря человека. Мышечные клетки и клетки внутренней оболочки мочевого пузыря брали у пациента, выращивали в лаборатории до нужного количества, затем смешивали с гидрогелем для получения биочернил. По 3D-модели органа биопринтер формировал биоразлагаемый каркас, на котором клетки развивались около двух месяцев. После завершения роста клеток каркас рассосался, а орган был успешно пересажен пациенту. Этот подход демонстрирует, как точное моделирование, правильно подобранные материалы и контроль условий выращивания позволяют создавать жизнеспособные ткани.
Российские достижения в области 3D-биопечати
В России направление биопечати активно продвигается усилиями ведущих научных центров, университетов и инновационных компаний. Одним из пионеров в этой области стала основанная в 2013 году компания 3D Bioprinting Solutions, создавшая первый отечественный биопринтер FABION. Уже в 2015 году на нем была напечатана щитовидная железа, успешно пересаженная лабораторной мыши. Орган прижился и сохранил все свои функции, став важным доказательством реальности этой технологии. Есть у отечественных ученых и другие впечатляющие успехи.
- Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с Центром компетенций НТИ на базе Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) создали модульную насадку для роборуки, которая позволяет печатать хрящи и мягкие ткани прямо на теле пациента при лечении ожогов, язв и других повреждений.
- В рамках технологии «Лиопласт» (прим. ред.: остео- и мукопластические биоимплантаты, максимально приближенные по биохимическим свойствам к тканям человека и являющиеся наиболее исследованными материалами в России) в СамГМУ разработан материал, максимально адаптированный к тканям конкретного пациента, с помощью которого можно печатать индивидуальные импланты.
- В Главном военном клиническом госпитале им. академика Н. Н. Бурденко впервые в мире провели операцию с применением биопринтера, включающего роборуку, систему биопечати и компьютерное зрение. Устройство разработано учеными НИТУ «МИСиС» совместно с российской компанией-пионером биопечати 3D Bioprinting Solutions. После сканирования поврежденной области специалист университета программировал траекторию подачи биополимера прямо в рану. Клетки, полученные из костного мозга пациента, добавлялись в биочернила для печати, а сам процесс сканирования и печати робот выполнял автономно. По словам медиков госпиталя, эта технология открывает новые возможности для восстановления сложных и обширных дефектов мягких тканей.
- Ученые Первого МГМУ им. И.М. Сеченова и Центра химической физики им. Н.Н. Семёнова впервые провели полный цикл 3D-биопечати, создав функциональный тканевый эквивалент кожи из человеческих мезенхимных стромальных клеток. Клетки формировали сфероиды, которые вместе со специально подготовленным гидрогелем использовались в биопринтере для построения живой ткани. Напечатанные конструкции обеспечили оптимальные условия для клеточной активности, деления и миграции. Исследование показало важность подбора исходных клеток: клетки десны лучше подходят для сосудов или костей, а клетки жировой ткани — для кожных имплантов. Полученные биоэквиваленты можно использовать для регенерации кожи при ожогах, диабетических и трофических язвах, незаживающих ранах, а также для снижения тестирования на животных, продвигая персонализированную медицину и этичность исследований.
Основные вызовы и проблемы 3D-биопечати
Хотя уже существует опыт печати и даже клинического применения таких тканей, как кожа, хрящи, роговица, это не значит, что можно так же просто напечатать сложные органы, например сердце или печень. Одним из самых серьезных барьеров на пути к успеху остается создание сложной сосудистой сети. Даже если удается напечатать орган в нужной форме, без капилляров его клетки не получают кислород и питательные вещества. В живом организме сеть мельчайших сосудов пронизывает каждый миллиметр тканей, и воспроизвести ее искусственно чрезвычайно сложно. Пока технологии не позволяют создать такие «живые» сети в полном объеме, поэтому массового использования 3D-биопечати органов в клинике еще нет.
Ученые пробуют стимулировать рост сосудов с помощью биочернил с факторами роста, печатают микроканалы для эндотелиальных клеток и используют биоматериалы, постепенно уступающие место настоящим сосудам, но до полноценной капиллярной сети пока далеко. К тому же даже идеально напечатанный орган может быть отвергнут иммунной системой, поэтому для повышения совместимости используют клетки самого пациента, хотя это не всегда возможно. И наконец, технология сталкивается с серьезными этическими и правовыми вопросами: от патентования и ответственности за трансплантаты до справедливости доступа к напечатанным органам. Правила и стандарты для клинического применения пока формируются, и международное регулирование остается открытой задачей.
Потенциал и перспективы 3D -биопечати
Так когда же ждать полноценного внедрения биопечати в медицину? Прогнозы экспертов разнятся, но большинство сходятся во мнении, что эта технология войдет в рутинную медицинскую практику через 10–15 лет. Однако уже в ближайшие годы биопечать будет активно применяться в смежных областях: фармакологии, косметологии, реконструктивной хирургии, где напечатанные ткани помогут тестировать лекарства, разрабатывать новые препараты, восстанавливать поврежденные участки кожи и создавать биосовместимые имплантаты. Эти направления станут важным промежуточным шагом на пути к печати полноценных органов. И хотя пока это лишь первые шаги, уже ясно: в ближайшие десятилетия биопечать изменит правила игры в медицине и подарит миллионам людей шанс на жизнь и здоровье.
Автор текста Анастасия Будаева
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
Изображение на обложке: Freepik
