Печать органов: как биопринтинг помогает создавать «запчасти» для человека
Представьте себе будущее, в котором, если ты заболел, врачи смогут просто взять и напечатать тебе новый орган на специальном биопринтере! На самом деле, это не совсем фантастика — над приближением такого будущего работают в лабораториях разных стран.
Учёные из американского Питтсбурга недавно напечатали сердечный клапан человека, а в Нью-Йорке вырастили и успешно пересадили девушке ухо, которого у неё не было с рождения. Как такое возможно? Объясняют в московском университете МИСиС, где тоже давно экспериментируют с биопринтингом.
Сначала будущий орган конструируют на компьютере. Дальше в дело вступает биопринтер: из специального охлаждённого шприца выходят биочернила — это гидрогель на основе белка, смешанный с клетками будущего органа. Напечатанный конструкт затем помещают в инкубатор, где клетки в этот гидрогель будут пролиферировать, то есть размножаться и культивироваться.
Существует и другой тип биопринтера, который печатает кожу непосредственно на пациенте. Подобным методом воспользовались французские врачи, когда создали 50-летней женщине новый нос (старый удалили из-за опухоли) и приживили его на время к руке. Необходимые сосуды проросли, и украшение лица пересадили на место.
Тем, кто занимается биопринтингом, вообще приходится решать невообразимое число проблем. Как нам рассказал инженер научного проекта лаборатории биоинженерии Александр Левин, когда клетки проходят через узкое сопло, оно их сжимает — мембрана разрушается и клетки погибают. То есть, если пытаться повысить концентрацию клеток в гидрогеле, они все умирают.
В качестве решения исследователи предложили печать тканевыми сфероидами. Это шарики из нужного количества клеток будущего органа. Размер таких «живых» мячиков может быть от 50 до 700 микрон. С помощью специального шприца их послойно впечатывают в основу из гидрогеля, получая заготовку. Потом её оставят в биореакторе, где она благодаря делению клеток и будет превращаться в новую «запчасть» для человека. Это чем-то похоже на строительство дома.
Вообще, биопечать уверенно набирает обороты. В начале 2000-х группа немецких учёных создала первый 3D-биопринтер на основе фрезерного станка. А уже в 2019-м исследователям из Тель-Авивского университета удалось напечатать целое сердце из клеток человека. Правда, оно было крошечным — годилось для пересадки лишь кроликам.
На самом деле целью той работы было не создать полноценное сердце, а сконструировать живую заплатку для лечения сердечных болезней. До печати больших работающих органов ещё далеко. По словам Сенатова Фёдора, кандидата физико-математических наук и директора научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ «МИСИС», проблема в том, что все это печатается десятки часов.
«Вы нижние слои напечатали, а клетки то уже передохнут. Они там не в каких-то суперособых условиях. Нет кровеносных сосудов, нет еще васкуляризации, нет питания», — поясняет Федор.
Частично решить эту проблему учёные надеются с помощью биопечати в космосе. В 2018-м российские исследователи первыми в мире отправили на МКС магнитный биопринтер. В нём, раз сила тяжести не мешает: орган создаётся не послойно, а одновременно со всех сторон, как лепится снежок. В особой жидкости плавают клетки, которые под действием магнита собираются в заготовку. Всё это ещё исследовательские работы, но ожидания большие.
Некоторым биоинженерным лабораториям всё же удаётся создать объёмные органы на Земле — точнее их прототипы из живых клеток. Так, в американском университете Уэйк Фореста разработали биоматериалы, способные сохранять объём, например, модели человеческой почки. Даже сами учёные боятся делать прогнозы на слишком далёкое будущее, но помечтать иногда любят и не исключают, что когда-нибудь на биопринтере получится напечатать целого человека.
Что реально уже сейчас — так это, например, краниопластика — восстановление костных дефектов черепа. Одними из первых это начали делать в центре нейрохирургии имени Бурденко. Врачи совместно с инженерами с помощью лазерного спекания создают титановые пластины для головы. И надеются, что скоро технологии шагнут еще дальше.
Решит ли биопечать проблему нехватки донорских органов? Пока неясно. Но то, что уже пересажены и служат владельцам первые напечатанные носы и ушные раковины, внушает оптимизм. Может быть, технология в первую очередь будет иметь и не такое революционное, а какое-то гибридное применение. Например, в том же МИСиС несколько лет назад вживили домашнему коту, чуть не потерявшему лапку из-за опухоли, индивидуальный костный имплант. Он был сделан из смеси полимеров и металлов так, что его заселили родные клетки организма — и котик обрёл былую подвижность! Ему фактически поменяли «запчасть». А не этого ли мы и ждём от медицины будущего?
Благодарим за помощь в подготовке сюжета:
- Лабораторию биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions за сотрудничество. Отдельная благодарность управляющему Юсефу Хесуани, а также кандидату физико-математических наук Фёдору Сенатову за участие и помощь в создании сюжета.
- Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н. Н. Бурденко и профессора, руководителя отделения травматологии им. А. А. Потапова — Кравчука Александра за профессиональную точку зрения и различную помощь.
Полный выпуск «Чуда техники с Сергеем Малозёмовым» от 19 февраля доступен по ссылке
Все полные выпуски программы «Чудо техники» находятся здесь
