Биопринтинг — это технология трехмерной биопечати органов из аутологичных клеток и тканевых материалов. Поясним, «аутологичные» — это органы, ткани или клетки, взятые из организма самого пациента, а значит, при трансплантации они приживаются как родные. Принцип действия этой системы похож на процесс книгопечатания. Вначале создается компьютеризированный образ или копия печатаемого органа. Затем производится обработка или фактическая печать роботизированным биопринтером. И завершающий этап — постобработка или ускоренное достижение тканью полного развития в перфузионном биореакторе (устройство для быстрого роста стволовых клеток). Фундаментальной биологической и биофизической основой технологии печати органов является процесс сращивания ткани. Грубо говоря, в принтер вместо чернил заливают сфероиды (клетки) и в соответствии с компьютерной моделью на специальную подложку наносят слой за слоем, создавая орган в 3D-формате
Сама мысль об использовании клеточных культур для воссоздания живых тканей на 3D-принтерах далеко не нова и возникла еще в конце прошлого века, но публикации об успешных опытах в этом направлении появились лишь около десяти лет назад. Одной из первых была статья, написанная профессором Владимиром Мироновым, научным руководителем лаборатории 3D Bioprinting Solutions, с соавторами и напечатанная в журнале «Trends in Biotechnology» в апреле 2003 года.
Правда, 3D-приставка, описанная в ней, использовалась, скорее, как указание на перспективность работы, да и созданный в результате единственный слой клеток нельзя было назвать объемным образованием. Но главное достижение данного исследования заключалось именно в демонстрации возможности создания методом струйной печати жизнеспособной структуры из биологического материала. В последующих исследованиях каждая группа проводила опыты уже со своим вариантом биопринтера и экспериментировала с различными вариациями методики распределения клеток.
В конце 2009 года австралийской фирмой Invetech был выпущен первый серийный принтер для биопечати, изготовленный по заказу компании Organovo. Последняя была основана в 2007 году и уже спустя несколько лет была названа в обзоре MIT одной из наиболее инновационных компаний мира. Поскольку 3D-печать неразрывно связана с 3D-моделированием, вполне естественным кажется и то, что недавно Organovo заключила контракт с Autodesk. Вполне вероятно, что в скором времени внутренние органы будут чертиться в САПР точно так же, как сейчас детали для автомобилей и роботов.
Достижения современной биопечати могут стать неплохим заделом на будущее, причем не только в области изготовления органов. Одним из ее направлений, дающим плоды уже сегодня, являются токсикологические исследования различных веществ и фармпрепаратов, проводимые без использования лабораторных животных.
И дело здесь не только в этической стороне вопроса, но и в целесообразности таких экспериментов, которые не только отличаются невысоким показателем воспроизводимости результатов, но и требуют эмпирических методов пересчета, принимая во внимание отличия в строении человека. Например, моделирование патологических процессов, применяемое для изучения ключевых механизмов их развития, на животных проводить непродуктивно, а исследования на идентичной оригиналу ткани будут практически идеальным вариантом. Компания Organovo уже сотрудничает в этом направлении с Институтом проблем рака при университете штата Орегон. В целом же использование биопечати может помочь более точно оценить аспекты влияния различных веществ и процессов именно на тех клетках, которые являются основными мишенями для изучаемых препаратов и патологий. Наиболее полноценно позволяет это сделать методика, получившая название «лаборатория на чипе» (англ. lab-on-a-chip). Этот миниатюрный прибор позволяет осуществлять один или несколько многостадийных (био)химических процессов на площади от нескольких кв. мм до нескольких кв. см.
Из направлений, связанных с послойным созданием пригодных для трансплантации искусственных органов, на первом месте стоит создание искусственной почки, на втором — печени и поджелудочной железы. Сначала, естественно, ученые попытаются воссоздать более простые полые органы, и только затем — паренхиматозные (массивные внутренние органы, не имеющие полостей, — печень, селезенка). Правда, до появления первых «рабочих вариантов» потребуется еще некоторое время, счет которого идет на годы.
Еще одним сдерживающим прогресс развития биопечати фактором является то, что каждый орган должен «подключаться» к нервной системе и сети кровеносных сосудов. И если с первой проблемой современная трансплантология хоть как-то справляется, то вторая должна решаться еще на этапе формирования органов. Кровеносная система представляет собой чрезвычайно сложную систему сосудов, пронизывающих даже оболочки вен и артерий, порядок же ветвления во внутренних органах может превышать десяток уровней.
Но не только огромная разветвленность делает печать сосудов сложной. Кровеносный сосуд — это ведь не просто эластичная трубка определенного диаметра, каждый тип имеет свои особенности, которые непременно нужно воспроизвести. Поэтому сейчас даже в рамках экспериментов удается напечатать лишь отдельные мелкие сосуды и фрагменты крупных. И пока не получится решить проблему полноценной васкуляризации («васкуляризация» — научный термин, обозначающий кровоснабжение) органов, пытаться воссоздать их с помощью 3D-печати бесполезно. Но целью лаборатории 3D-биопринтинга является печать не изолированной системы сосудов, а, скорее, внутренних органов, снабженных системой сосудов.
Гораздо более реалистично выглядит воссоздание участков кожи — ее часто приводят как свидетельство реального применения биопечати (например, искусственная кожа из бычьего коллагена). Однако кожа тоже не так проста, как кажется. Многие даже относят процесс ее воспроизведения к двухмерной печати, но на самом деле один только эпидермис состоит из пяти слоев. Причем их структура и качество совершенно разные, а значит, нельзя просто так напечатать и приживить лоскут кожи. Кроме того, есть возможность получить по этой технологии и хрящевую ткань. Трудности возникают на этапе печати сложных органов, таких как сердце, легкие, почки. Причем именно почка — самый востребованный и одновременно дефицитный товар на рынке трансплантантов. Ученые в настоящее время бьются над созданием системы, не требующей иммунодепрессантов, еженедельного визита к врачу, которая также снизит затраты здравоохранения и откроет возможности для развития бизнеса стоимостью 25 млрд долларов (если оценивать только рынок почки). Если эти исследования увенчаются успехом, то в выигрыше будут абсолютно все.
Подготовила Елена ШЕРОВА
