social

3D биопечать. Развитие и перспективы

16.08.2013  |  метки:   |  текст:

Устройство размером с кофе-машину тихо возвращает к жизни. Оно стерильно, а роботизированный механизм движется быстро. Он парит, снижается, затем перемещает пару шприцов между чашками Петри. Короче говоря, быстрыми движениями они выдавливают молочную пасту, и вскоре образуются маленькие шестиугольники. Через несколько минут они вырастают до сотовой конструкции размером с ноготь.

Цифровая модель сердца

«Соты печени человека», говорит Шарон Преснелл, главный технический директор Organovo, – «Или по крайней мере их основа». Крошечные образцы биомедицинской инженерии почти идентичны образцам ткани реальной человеческой печени, и они строятся из настоящей человеческой клетки. Но вместо того, чтобы выращивать, ученые печатают их, как если бы это был документ, или точнее они создают макет.

За два десятилетия развития, 3D-печать выросла от небольших исследовательских лабораторий до огромной $2,7 миллиардной индустрии, ответственной за изготовление всевозможных вещей: игрушек, наручных часов, частей механизмов, продуктов питания. Сейчас ученые работают над возможностью применения аналогичных технологий в области медицины, тем самым ускоряя исследования в этой сфере. Но печатать живыми клетками гораздо сложнее чем с помощью пластика, металла или шоколада.

Лаборатории по всему миру научились печатать прототипы частей тела: клапанов сердца, ушные раковины, искусственные кости, мениски, трубки сосудов и кожу для пересадок. Ученые-медики получили в руки новый инструмент, который заставляет мыслить по-новому, ставить опыты и проводить невозможные ранее эксперименты.

С 2008 по 20011 год, количество научных статей, ссылающихся на биопечать, выросло в три раза, инвестиции возросли также. В 2007 году было выделено $600000 в виде грантов на исследования в области биопринтинга. А уже в прошлом году Organovo привлекла себе на исследования $24,7 миллиона.

Причиной такой тенденции являются три основных фактора: появление более сложных принтеров, достижения в области регенеративной медицины и развитие изысканного программного обеспечения САПР. Так для запуска процесса, приведенной выше печати ткани печени, инженеру-системотехнику понадобилось только запустить программу на компьютере. Полученная сотообразная ткань ещё далека от полностью функционирующего органа, но даже это уже является реальным шагом в данном направлении.

История

Самые первые биопринтеры не были ни дорогими, ни фантастическими. Они напоминали дешевые настольные принтеры, потому что на самом деле это они и были. В 2000 году ученые уже модифицировали обычные струйные принтеры для печати фрагментов ДНК, а биоинженер Томас Боланд придумал использовать то же самое оборудование для печати других биоматериалов. Ведь наименьшие клетки человека имеют размер 10 микрон, что примерно равно размеру стандартной капли чернил. Основой для первого устройства послужил разобранный принтер Lexmark.

Затем был перенастроен HP DJ 550C для печати клетками с бактериями кишечной палочки. Тогда же проведен эксперимент с клетками более крупных млекопитающих: хомячков и крыс. Было установлено что после печати 90% клеток остаются жизнеспособными, и это означало перспективность исследований. В 2003 году Боланд подал первый патент на печать клеток.

Биолаборатория

В то время, как лаборатория Боланда работала на вопросом биопринтера, другие исследователи научились применять 3D принтеры для других медицинских проблем. Были напечатаны костные трансплантаты из керамики, зубные коронки из фарфора, слуховые аппараты из акрила и протезы из полимера. И эти инженеры имели возможность, которой небыло у Боланда и его коллег – они могли печатать в трех измерениях.

Следствием этого стало изменение биопринтеров, с добавлением перемещения платформы по вертикали, что позволило печатать клетки в несколько слоев.

Джеймс Йю, исследователь из института Регенеративной Медицины, разрабатывает портативный принтер для создания лоскутов кожи непосредственно на ожоге. Возможность печати клетки в трех измерениях открыло новые возможности, Йю пояснил: «Каждая рана отличается глубиной и неравномерностью, путем сопоставления вы можете определить сколько слоев клеток нужно для подкожных тканей, и сколько для эпителиальных областей. Преимущество принтера заключается в том, что с ним возможно доставить клетки более аккуратно и точно».

Ученые научились печатать различными типами «чернил», Ход Липсон создал прототип другого вида ткани – хряща. Им было сказано: «Такая степень пространственного контроля над размещением клеток никогда ранее не была возможна, и это открывает множество новых возможностей». Его команда использовала компьютерную томографию, чтобы создать файл САПР и напечатать мениск овцы. Полученный диск мениска выглядел многообещающим, но по своим свойствам оказался слишком хрупким для работы в организме. Результатом стало озвученное мнение, что органу надо создавать дополнительную нагрузку во время инкубирования, после распечатывания, чтобы клетки перестроились и приобрели необходимую жесткость. Наилучшим решением этого может стать создание специального биореактора, в котором будет генерироваться необходимая среда (тепло, свет, звук) для придания тканям необходимых свойств. «Для некоторых тканей, не только простые люди, но и мы, медики, не знаем, что необходимо сделать чтобы ткань повела себя как настоящая», – говорит Липсон: «Вы можете поместить сформированные клетки сердечной ткани в нужном месте, но как их запустить?»

Печать почки на биопринтере

Большинство органов имеют весьма сложные структуры, с десятками типов клеток и сложными взаимосвязями, выполняющими конкретную работу, та же печень выполняет более 500 функций. Органы изнашиваются и разрушаются с течением времени, иногда это происходит неожиданно, и очень часто предоставить донорские органы для трансплантации не представляется возможным. Печать органов на биопринтерах в лабораториях может решить эту проблему.

В первых экспериментах, по выращиванию органов, клетки наносились пипетками в чашках Петри, их размещали на искусственных подпорках, изготовленных из биоразлагаемых полимеров или коллагенов, для создания временной матрицы. Даже такая простая система работала, и первые семь мочевых пузырей для имплантации были созданы в Бостоне в период 1999-2001 годов.

Затем исследователи стали использовать 3D принтеры для создания более точных подпорок, но размещение клеток все еще осуществлялось вручную, что было трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно создать только из двух типов клеток, а например почки состоят уже из 30.  Для создания таких сложных тканей нет никакой возможности для выполнения работы вручную.

Следствием этого стало изучение возможности создания биопринтеров которые смогут не только печатать многими различными видами клеток, но и сразу же создавать подпорки из синтетических тканей, что позволило бы производить такие сложные объекты как уши, носы, кости.

Подпорки обеспечивают тканям механическую стабильность, и они могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как в случае полимеров, они могут вводить и посторонние вещества и вызывать воспаление. Даже отдельные типы клеток по-разному реагируют на материал подпорок, а каким образом скажется влияние на сложный орган вообще трудно предсказать. В результате не все ученые считают, что подпорки являются необходимыми.

Ушная раковина, сделанная методом биопечати

Габор Форгас, соучредитель Organovo считает, что печатать надо исключительно из живых человеческих тканей, чтобы они сами формировали орган: «В этом и заключается большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думает, что свеженапечатанный клеточный материал сразу представляет собой готовый орган».

В университете Форгас изучал морфогинез – процесс, который определяет образование органов во время эмбрионального развития. Организовав в сотовых агрегатах крошечные сферы содержащие тысячи клеток, в его лаборатории смогли наблюдать за ними, их слиянием, образованием новых структур, и в целом весь каскад связей приводящих к изменениям. Команде Форгаса был вручен грант Национального Научного Фонда для проведения экспериментов с биопринтером в этом направлении.

Инженеры не могут точно знать, где должны располагаться конкретные клетки в готовом органе. Форгас считает, что клетки должны самоорганизовываться как в эмбрионе, как это и делали в течении миллионов лет эволюции.

Есть и другой фактор неиспользования искусственных подпорок. «Вы никогда не сможете построить значительную биологическую структуру, большой орган или ткань за счет формирования только отдельных клеток», – рассуждает Форгас: «Ткани организма очень хорошо организованы, в соответствии с очень строгими правилами, и даже полмиллиметра помехи от искусственной поддержки могут помешать функционированию органа».

Технически говоря, уже возможно построение органов путем послойной укладки клеток, и это даже было сделано с клетками сердца, когда они сраслись то бились в унисон, как и сердце. Биологически же это ещё не возможно, клетки должны расти, обладать необходимыми свойствами, им требуется подача питательных веществ и кислорода по сети кровеносных сосудов. В проведенном же эксперименте это не было реализовано, а без этого клетки просто умирают.

Исследователи из Organovo сделали относительно надежную систему для печати сосудов кровеносной системы, с использованием наполнителей (таких как гидрогель) между клеток соединительной ткани. Наполнитель может быть извлечен позже, оставляя пустые каналы для тока крови. Инженер-механиком Ибрагимом Озболатом был разработан биопринтер, который может сразу наносить и сосудистую сеть и наполнитель. По словам Озболата, главной задачей стало создание мелких капилляров, связывающих крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что решение этого вопроса займет пару лет, это позволит исследователям масштабировать процесс в зависимости от сложности сосудистой системы. Именно поэтому реальное создание печатных органов – это только вопрос времени.

Принцип формирования полостей сосудов

Для формирования трубчатых структур, основы кровеносных сосудов, ученые Organovo используют в биопринтере для нанесения слоев гидрогеля стержней (синий) и био-чернила сделаны из сфер или цилиндров, которые содержат тысячи человеческих клетках (желтый). После печати гидрогель удаляется, и сосуды могут быть объединены с другими тканями, чтобы в конечном итоге построить сложные органы.

Примечание автора: Кроме уже названных проблем, видится ещё одна не упомянутая – нервные клетки. Конечно некоторые органы могут обходиться и без них (пересаживают же органы напрямую), но в глобальной перспективе биопечати это тоже должно будет стать проблемой.

Программное обеспечение

Чего еще не хватает биопечати, и что обеспечит следующий прорыв в технологии – это появление сложного программного обеспечения для биологических расчетов. Для не биологических объектов 3D сканером можно создать файл САПР за считанные минуты, и тут же послать его на 3D принтер, а для биологических объектов не существует никаких эквивалентов.

«МРТ не показывает расположение клеток», – говорит Липсон: «Мы просто в полном неведении при составлении чертежей, и это только половина проблемы. Так же в графических программах нет никаких инструментов для рисования клеток. И с этим действительно не могут помочь справиться большинство компьютерных программ. Таким образом, мы не можем сделать программную модель органов, это выходит сложнее, чем создать модель реактивного самолета».

Почувствовав перспективность данного направления, компания Autodesk объединилась с Organovo для развития САПР программ, которые смогут применяться при биопечати. «Данные исследования не всегда имеют достаточную экономическую обоснованность, но это может измениться в ближайшие годы», – говорит Карлос Олгуин, руководитель группы по бионанопрограммированию из Autodesk: «И если это случится, мы хотим быть готовы не только к исследованиям, но и к выпуску готового продукта».

В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную облачную САПР оболочку, что позволит ускорить процесс проектирования. Ее целью является интеграция математики, описывающей самосборку и другие клеточные процессы при биопечати, и программного обеспечения. В апреле команда Олгуина объявила релиз вэб-ориентированного проекта, позволяющего проводить молекулярные моделирования на наноуровне и симуляции клеточной биологии. В конечном итоге, исследователи хотят уметь проектировать цифровую модель и визуализировать её за считанные секунды, в том числе показывая изменения и развитие в готовую живую ткань.

«В ближайшее время мы планируем значительно сократить время сборки модели в биопринтере», – сообщает Олгуин: «Но в среднесрочной перспективе предстоит очень кропотливая работа по созданию самых основных элементов, и мы надеемся, что затем сможем сосредоточиться на разработке более интересных приложений».

Перспективы

Первым биологическим продуктом Organovo будут ткани печени для проведения медицинских тестирований. Дело в том, что токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной прекращения клинических испытаний лекарств, и даже отзыва с рынка уже одобренных продуктов. У фармацевтов до сих пор нет надежных способов оценить влияние препаратов на печень человека, и в этом не помогают даже исследования на животных.

В следующем году Organovo начнет продажи созданной ткани печени для проведения подобных анализов. Потенциал рынка огромен, ведь все лекарства применяются внутрь, и токсины должны доходить до печени. Если анализы проводимые с биопечатаемой печенью обеспечат фармацевтических исследователей лучшими и более быстрыми данными, это значительно ускорит процесс проверки лекарств, и уменьшит потребность в обширных исследованиях на животных.

Ибрагим Озболат хочет научиться печатать ткани поджелудочной железы уже для лечения, а не для опытов. Такая ткань будет состоять только из эндокринных клеток способных продуцировать инсулин, и после имплантации в человека, они смогут регулировать уровень сахара в крови и излечивать диабет 1 типа.

Биопринтеры также могут оказаться бесценными для медицинских учебных заведений. Студенты сейчас тренируются на трупах, но когда дело доходит до реальной процедуры – им не хватает навыков. Так биопринтеры смогли бы делать органы сразу с опухолями или другими дефектами, для тренировки хирургов до реальной практики в операционной.

Печать трансплантируемых органов, которые функционируют должным образом, станет глобальным изменением, которое ощутимо изменит жизнь. В настоящее время списки ожидания доноров очень велики, и они растут ежедневно, при этом шансы найти подходящий орган достаточно низки. Биопечать органов выращенных из клеток собственного тела пациента сможет помочь врачам в большом количестве случаев, так как такие органы будут идеальны по совместимости.

Возможно, говорят ученые, биопринтеры смогли бы даже позволить создавать бионические части тела, которых нет у человека. С этой целью исследователи из Принстона экспериментировали с электроникой в интеграции с биопринтерами. Ранее они уже создали матрицу из гидрогеля и бычьих клеток в форме уха, с включением наночастиц серебра, образующих спиральную антену. Такая система может позволить подобрать радиочастоты за пределами нормального человеческого слуха. Аналогичным образом, биоинженеры когда-нибудь смогут включать датчики и в другие ткани и части тела.

Биопринтеры уже демонстрируют ученым замечательное сочетание биологии и инженерии. Машина стала ещё одним инструментом, позволяющим работать с клетками более точно. Но человечество пока так и не знает почему клетки делают именно то – что делают. Это знает только сама природа, по крайней мере в настоящее время.

  • Задать вопрос через форму сайта

Войти с помощью: 

Вопросы запрещены.