Принтер вместо донора: новейшие достижения в сфере биопринтинга

От имитации костной ткани к печати органов, пригодных для пересадки, — такой путь за последние два десятилетия прошла имплантология. Кожу, кровеносные сосуды и даже элементы сложных внутренних органов можно напечатать на биопринтере. Запасные уши и кости — только первые шаги технологии. Попахивает бессмертием, но ученые просят не обольщаться.

О зарождении и сегодняш­нем состоянии биопринтин­га, о гипотетической воз­можности напечатать целого человека на лекции «Футуро­скопа», совместного проек­та Homo Science и журнала «Сноб», рассказал директор НОЦ биомедицинской инже­нерии НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов. «В настоящее вре­мя, прежде всего благодаря 3D-печати, мы можем на разных размерных уровнях вос­производить сложную струк­туру природных объектов. Но обольщаться насчет воз­можностей передовых техно­логий не стоит», — предупре­ждает ученый.

Милые кости

С середины ХХ века в меди­цине применяют три типа материалов: металлы, ке­рамику и полимеры. Уже на начальном этапе ученые разделили их на три кате­гории: биоинертные (спо­собные долгое время нахо­диться в организме, не влияя на работу других орга­нов и не вступая в хи­мические связи), биотолерантные (вступа­ют в незначительные свя­зи с окружающими тканями, но не вредят их развитию) и биоактивные (участвуют в жизнедеятельности орга­низма, например стимули­руют регенерацию тканей). Подкатегория — биорезор­бируемые материалы, кото­рые постепенно рассасыва­ются в организме (нить для наложения хи­рургиче­ских швов и проч.).

Главная задача, стоявшая перед разработчиками, — создать максимально точ­ную копию природных тка­ней. Чтобы заменить кость, пораженную саркомой, био­инженерам нужно сделать имплантат, который не окис­лится, не вступит в конфликт с живыми тканями и не будет в итоге отторгнут организ­мом. При этом нужно пол­ностью повторить структу­ру кости: сплошной твердый слой снаружи, пористый — внутри. Но это полдела. В полостях настоящей ко­сти находится костный мозг и кровеносные сосуды. То есть нужно дополнить ис­кусственную кость естественным содержимым. Чтобы иммунная система приняла имплантат как родной, клет­ка костного мозга или буду­щего кровеносного сосуда должна адгезироваться — за­крепиться в комфортных для себя условиях. Тогда она бу­дет делиться.

Печать металлических им­плантатов сложной струк­туры вполне доступна — ла­зерный 3D-принтер легко воспроизведет пористые фор­мы. Но металл в лучшем слу­чае биоинертен и не поддерживает рост тканей, а иногда и препятствует ему. Выход был найден в нача­ле XXI века с появлением биокомпозитов. Они состо­ят из природных минераль­ных соединений, например кальция и фосфора, отвечаю­щих за прочность, и коллаге­на, отвечающего за гибкость и упругость. Следующий шаг — «населить» имплантат стволовыми клетками. Они, как известно, способны пре­вращаться в клетки любых тканей и органов. В случае успеха получается клеточ­но-инженерная конструкция. Технология печати биоком­позитных костей, в том числе костей черепа, прошла ста­дию клинических исследова­ний и уже широко применя­ется в имплантологии.

Биопринтинг от кожи до сердца

«Завтрашний день биоме­дицины — это тканеинже­нерные конструкции. Если до последнего времени мы создавали искусственный орган, населяли его ство­ловыми клетками, а потом стимулировали их превра­щаться в клетки нужной тка­ни, то тканеинженерия — это когда орган выращивается в самом организме. Напри­мер, печатается скаф­фолд (структура задает форму регенерации тканей и потом рассасы­вается. — «СР») уш­ной раковины, помещается в руку или другую часть тела, где много мышечной тка­ни, там прорастает соедини­тельными тканями и кровеносными сосудами, и это ухо устанавливают на место», — рассказывает Федор Сенатов.

Скаффолд по детальной 3D-модели послойно напеча­тан на принтере, в который вместо пластика или метал­лического порошка «засыпа­ны» разные типы живых кле­ток. Причем клеток самого пациента. Но живые клет­ки капризны, чувствитель­ны и так и норовят отмереть задолго до завершения пе­чати. Для печати были раз­работаны тканевые сфероиды. Это шарики, собранные из клеток конкретного типа (костной ткани, сосуда, органа). Создание имплан­тата из тканевых сферои­дов — это как строительство высотного дома не из кирпи­чей, а из блоков.

«Мы уже научились печа­тать плоские органы — кожу, хрящи. Сейчас подошли ко второму этапу — печа­ти полых трубчатых орга­нов, например кровеносных сосудов. Следующий этап — солидные органы (органы с проведением сосудистого русла, состоящие из несколь­ких типов клеток, например почка или печень. — «СР»). Профессор Миронов Владимир Александрович с компани­ей 3D Bioprinting Solutions первыми в мире напечата­ли щитовидную железу. Пока для мыши, но это уже про­рыв», — говорит Федор Се­натов.

Следующим проры­вом стала печать «пробни­ка» сердца — не в натураль­ную величину, но из клеток, полностью соответствую­щих сердечной ткани. Пока речь идет о сугубо науч­ном опыте, далеком от кли­нической практики. Бли­жайшая перспектива для индустрии печати орга­нов — кожа. «В 2027 году мы в МИСиСе должны напеча­тать кожу на живом челове­ке — после ожога или другой поверхностной раны. Идея уже реализована на лабора­торных животных, в част­ности на свинье. Это сдела­ли наши ключевые партнеры из 3D Bioprinting Solutions. Что важно, печать возможна не только на плоских поверх­ностях, но и на теле со всеми его изгибами и неровностями, — подчеркивает Федор Сенатов. — Печать осуществляет роборука. В следующем году в МИСиСе заработа­ет магистерская программа по биофабрикации».

Клетки, выращенные в невесомости

Несмотря на все достижения, говорить о печати полноцен­ных органов в этом десятиле­тии не приходится, признает Федор Сенатов. Дело в том, что на биопринтинг серд­ца или печени уйдут часы, а то и сутки. Клетки нижнего слоя все это время не будут получать питания, зато будут находиться под постоянным давлением из-за гравитации. А значит, отомрут. Чтобы на­печатать живой орган, нуж­но заранее продумать его кровоснабжение.

В плане гравитации одним из решений может стать маг­нитная биопечать. На МКС работает биопринтер Орган.Авт, разработанный 3D Bioprinting Solutions, который печатает с использованием тканевых сфероидов. В усло­виях микрогравитации их можно заставить собраться в тканевый конструкт под воздействием магнитного поля, утверждает Федор Сенатов. Но програм­му экспериментов ограничи­вает нехватка места: на МКС довольно тесно.

К 2030 году МИСиС вместе с 3D Bioprinting Solutions пла­нирует построить полномасштабный биопринтер для печати отдельных участков органов. Как будет решать­ся проблема их кровоснабже­ния, ученый не пояснил.

А вот напечатать челове­ка целиком, по словам Фе­дора Сенатова, невозможно. Такой принтер — немысли­мое для сегодняшних техно­логий устройство, ведь в нем должны быть запасены сфероиды всех без исключения клеток организма. Их соче­тание при печати — зада­ча со множеством неизвест­ных. Не говоря о том, что процессы мышления и управления органами мало изуче­ны. Переместить мозг в но­вую оболочку, как в сериале «Мир Дикого Запада», может оказаться недостаточно. Так что прыжки из тела в тело в обозримом будущем людям не светят.

Интересуетесь последними научными достижениями в области медицины и, в частности, темой искусственных органов? Научно-просветительская платформа Homo Science рассказывает об этом и многом другом, привлекая ученых и блогеров, которые обладают нужными знаниями.