Чтобы создать своего одноименного монстра, Виктору Франкенштейну нужны были части тела, но донорство органов, как мы его знаем, появится только через 135 лет или около того. И вот вымышленный доктор «барахтался среди нечистой сырости могилы» и посещал секционные и скотобойни, где собирал части и куски, как какой-то вурдалак.
Виктору Франкенштейну из будущего не придется становиться грабителем могил, чтобы получить части тела. Им даже тела не понадобятся. Вместо этого мы держим пари, что они воспользуются преимуществом быстро развивающейся технологии, известной какбиопечать Это ответвление 3D-печати призвано позволить ученым и исследователям-медикам создавать орган, слой за слоем. уровне, используя сканеры и принтеры, традиционно предназначенные для проектирования автомобилей, создания моделей и прототипов продуктов.
Чтобы сделать игрушку с использованием этой техники, производитель загружает вещество, обычно пластик, в машину размером с мини-холодильник. Он также загружает трехмерный дизайн игрушки, которую хочет сделать. Когда он приказывает машине печатать, она нагревается и, используя дизайн как набор инструкций, выдавливает слой расплавленного пластика через сопло на платформу. По мере остывания пластик начинает затвердевать, хотя сам по себе является не чем иным, как одним кусочком желаемого объекта. Затем платформа движется вниз, чтобы второй слой мог быть нанесен на первый. Принтер повторяет этот процесс, пока не сформирует твердый объект в форме игрушки.
В промышленных кругах это известно какаддитивное производство, потому что готовый продукт изготавливается путем добавления материала для создания трехмерной формы. Он отличается от традиционного производства, которое часто включает вычитание материала путем механической обработки для достижения определенной формы. Производители добавок не ограничиваются использованием пластика в качестве исходного материала. Некоторые используют порошки, которые скрепляются клеем или нагреваются, чтобы сплавить порошок. Другие предпочитают пищевые материалы, такие как сыр или шоколад, для создания съедобных скульптур. А третьи - современные версии Виктора Франкенштейна - экспериментируют с биоматериалами для печати живых тканей и, при правильном наслоении в биотической среде, полностью функционирующих органов.
Верно, та же технология, которая позволяет производить фигурки из «Звездных войн», также может производить человеческую печень, почки, уши, кровеносные сосуды, кожу и кости. Но печать трехмерной версии R2-D2 - это не совсем то же самое, что печать сердца, которое расширяется и сжимается, как настоящая сердечная мышца. Разрежьте фигурку, и вы найдете пластик насквозь. Разрежьте человеческое сердце, и вы обнаружите сложную матрицу клеток и тканей, каждая из которых должна быть организована должным образом, чтобы орган функционировал. По этой причине биопечать развивается медленнее, чем другие технологии аддитивного производства, но движется вперед. Исследователи уже построили модифицированные 3D-принтеры и сейчас совершенствуют процессы, которые позволят им печатать ткани и органы для фармацевтических испытаний и, в конечном счете, для трансплантации.
Трехмерная история биопечати
Перспектива печати человеческих органов началась в 1983 году, когда Чарльз Халл изобрел стереолитографию. Этот особый тип печати основан на использовании лазера для затвердевания полимерного материала, выдавливаемого из сопла. Инструкции по проектированию исходили от инженера, который определял трехмерную форму объекта в программном обеспечении для автоматизированного проектирования (САПР), а затем отправлял файл на принтер. Халл и его коллеги разработали формат файла, известный как.stl, который содержал информацию о геометрии поверхности объекта, представленной в виде набора треугольных граней.
Поначалу материалы, используемые в стереолитографии, не были достаточно прочными для создания долговечных объектов. В результате инженеры в первые дни использовали этот процесс исключительно как способ моделирования конечного продукта - например, детали автомобиля, - который в конечном итоге будет производиться с использованием традиционных технологий. Вокруг этой технологии выросла целая индустрия, известная как быстрое прототипирование, и в 1986 году Халл основал компанию 3D Systems для производства 3D-принтеров и материалов для них.
К началу 1990-х компания 3D Systems начала внедрять материалы следующего поколения -нанокомпозиты, смешанные пластики и порошкообразные металлы. Эти материалы были более прочными, а это означало, что из них можно было производить прочные и крепкие предметы, которые могли функционировать как готовые продукты, а не просто как ступеньки к готовым продуктам.
Медицинским исследователям не потребовалось много времени, чтобы это заметить. Что такое орган, как не объект, обладающий шириной, высотой и глубиной? Нельзя ли такую структуру изобразить в трех измерениях? И разве не может 3D-принтер получить такую карту, а затем отрисовать орган так же, как он мог бы отрисовать украшение на капоте или украшение? Такой подвиг можно было бы легко осуществить, если бы картриджи для принтеров распыляли биоматериалы вместо пластика.
Ученые отправились на поиски таких материалов, и к концу 1990-х годов они разработали жизнеспособные методы и процессы, позволяющие сделать органостроение реальностью. В 1999 году ученые из Института регенеративной медицины Уэйк Форест использовали 3D-принтер для создания синтетического каркаса человеческого мочевого пузыря. Затем они покрыли каркас клетками, взятыми у их пациентов, и успешно вырастили рабочие органы. Это подготовило почву для настоящей биопечати. В 2002 году ученые напечатали миниатюрную функциональную почку, способную фильтровать кровь и производить мочу на животной модели. А в 2010 году компания Organovo, занимающаяся биопечатью со штаб-квартирой в Сан-Диего, напечатала первый кровеносный сосуд.
Сегодня революция продолжается. В центре внимания находятся сами принтеры, а также содержащаяся в них особая смесь живых чернил. Далее мы рассмотрим оба варианта.
Как струйный принтер, что-то вроде
Идея трехмерной печати возникла непосредственно из известной всем технологии: струйного принтера. Посмотрите, как ваша машина HP или Epson печатает печатную страницу, и вы заметите, что печатающая головка, приводимая в движение двигателем, движется горизонтальными полосами по листу бумаги. При движении чернила, хранящиеся в картридже, распыляются через крошечные сопла и падают на страницу серией мелких капель. Капли накапливаются для создания изображения, причем при настройках с более высоким разрешением наносится больше чернил, чем при настройках с более низким разрешением. Чтобы обеспечить полное покрытие сверху вниз, лист бумаги, расположенный под печатающей головкой, сворачивается вертикально.
Ограничение струйных принтеров заключается в том, что они печатают только в двух измерениях - по осям x и y. Трехмерный принтер преодолевает эту проблему, добавляя механизм для печати вдоль дополнительной оси, обычно обозначаемой как ось Z в математических приложениях. Этот механизм представляет собой лифт, который перемещает платформу вверх и вниз. При таком расположении чернильная головка может укладывать материал из стороны в сторону, но она также может наносить слои вертикально, когда подъемник тянет платформу вниз и от печатающей головки. Заполните картридж пластиком, и принтер выдаст трехмерный пластиковый виджет. Заполните его ячейками, и он выведет массу ячеек.
Концептуально биопечать действительно так проста. На самом деле это немного сложнее, потому что орган содержит более одного типа материала. А поскольку материал представляет собой живую ткань, он должен получать питательные вещества и кислород. Чтобы приспособиться к этому, компании, занимающиеся биопечатью, модифицировали свои 3D-принтеры, чтобы они лучше служили медицинскому сообществу.
Где найти биопринтер?
Как вы можете себе представить, технология биопечати не находится на том этапе, когда вы можете заказать ее на Amazon, но вы можете найти, например, биопринтер Organovo NovoGen MMX в таких учреждениях, как Гарвардская медицинская школа, Университет Уэйк Форест, и Сэнфордский консорциум регенеративной медицины. Если вы на самом деле не являетесь институциональным типом, вы можете проверить Instructable для биопринтера DIY от людей из BioCurious.
Компоненты биопринтера
Если бы вы разобрали биопринтер, как мы с удовольствием это сделали бы, вы бы столкнулись со следующими основными частями:
Крепление печатающей головки - В биопринтере печатающие головки крепятся к металлической пластине, идущей по горизонтальной направляющей. Двигатель оси X перемещает металлическую пластину (и печатающие головки) из стороны в сторону, позволяя наносить материал в любом горизонтальном направлении.
Лифт - Металлическая направляющая, идущая вертикально в задней части машины, лифт, приводимый в движение двигателем оси Z, перемещает печатающие головки вверх и вниз. Это позволяет укладывать последовательные слои материала один поверх другого.
Платформа - Полка в нижней части машины служит платформой, на которую орган может опираться во время производственного процесса. Платформа может поддерживать каркас, чашку Петри или луночный планшет, который может содержать до 24 небольших углублений для хранения образцов тканей органов для фармацевтических испытаний. Третий двигатель перемещает платформу спереди назад по оси Y.
Резервуары - Резервуары прикрепляются к печатающим головкам и удерживают биоматериал, наносимый в процессе печати. Они эквивалентны картриджам в вашем струйном принтере.
Печатающие головки/шприцы - Насос нагнетает материал из резервуаров вниз через маленькое сопло или шприц, расположенный прямо над платформой. Когда материал выдавливается, он образует слой на платформе.
Триангуляционный датчик - Небольшой датчик отслеживает движение кончика каждой печатающей головки по осям x, y и z. Программное обеспечение связывается с машиной, поэтому точное расположение печатающих головок известно на протяжении всего процесса.
Microgel - В отличие от чернил, которые вы загружаете в свой принтер дома, биочернила живые, поэтому для выживания им нужны пища, вода и кислород. Эта питательная среда обеспечивается микрогелем - например, желатином, обогащенным витаминами, белками и другими поддерживающими жизнь соединениями. Исследователи либо смешивают клетки с гелем перед печатью, либо выдавливают клетки из одной печатающей головки, а микрогель из другой. В любом случае гель помогает клеткам оставаться во взвешенном состоянии и предотвращает их оседание и слипание.
Bioink- Органы состоят из тканей, а ткани состоят из клеток. Чтобы напечатать орган, ученый должен иметь возможность депонировать клетки, специфичные для органа, который он надеется построить. Например, чтобы создать печень, она начала с гепатоцитов - основных клеток печени - а также других вспомогательных клеток. Эти клетки образуют специальный материал, известный какбиочернила, который помещается в резервуар принтера, а затем выдавливается через печатающую головку. Когда клетки накапливаются на платформе и внедряются в микрогель, они принимают трехмерную форму, напоминающую человеческий орган.
В качестве альтернативы ученый мог бы начать с биочернил, состоящих из стволовых клеток, которые после процесса печати могут дифференцироваться в желаемые клетки-мишени. В любом случае, биочернила - это просто носитель, а биопринтер - устройство вывода. Далее мы рассмотрим шаги, необходимые для печати органа, разработанного специально для одного пациента.
Органы на заказ
Когда исследователи создали 3D-принтеры, способные наносить биочернила и формировать живые массы клеток, они праздновали большое достижение. Затем они сразу же приступили к решению следующей большой проблемы: как биопечать может изготовить орган для конкретного человека? Для этого бригаде медиков необходимо собрать данные о рассматриваемом органе - его размере, форме и расположении в теле пациента. Затем членам команды нужно придумать биочернила, используя клетки, взятые у пациента. Это гарантирует, что напечатанный орган будет генетически совместим и не будет отторгнут после пересадки в тело пациента.
Для простых органов, таких как мочевой пузырь, исследователи не печатают живую ткань напрямую. Вместо этого они печатают трехмерные каркасы из биоразлагаемых полимеров или коллагена. Чтобы определить точную форму строительных лесов, они сначала создают трехмерную модель с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Обычно они определяют точные x-, y- и z-координаты модели путем сканирования пациента с помощью технологии компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Далее исследователи получают необходимые им клетки, беря биопсию мочевого пузыря пациента. Затем они помещают образцы клеток в культуру, где они размножаются в популяции, достаточно большой, чтобы покрыть каркас, который обеспечивает временный субстрат, за который клетки могут цепляться по мере их организации и укрепления. Посев скаффолда требует длительной и кропотливой ручной работы пипеткой. Обычно требуется около восьми недель, прежде чем такие искусственные мочевые пузыри будут готовы к имплантации. Когда врачи, наконец, помещают орган пациенту, каркас либо исчезает, либо исчезает вскоре после операции.
Описанная выше процедура работает, потому что ткань мочевого пузыря содержит только два типа клеток. Такие органы, как почки и печень, имеют гораздо более сложную структуру с большим разнообразием типов клеток. Хотя напечатать каркас было бы достаточно просто, воссоздать трехмерную структуру ткани вручную было бы почти невозможно. Однако биопринтер идеально подходит для выполнения такой трудоемкой и детальной задачи.
Раз, Два, Три, Печать
Вот шаги для печати сложного органа:
- Сначала врачи делают КТ или МРТ нужного органа.
- Затем они загружают изображения в компьютер и создают соответствующий трехмерный план конструкции с помощью программного обеспечения САПР.
- Сочетая эти трехмерные данные с гистологической информацией, собранной за годы микроскопического анализа тканей, ученые строят послойную модель органа пациента. Каждый срез точно отражает то, как уникальные клетки и окружающий их клеточный матрикс сочетаются друг с другом в трехмерном пространстве.
- После этого нужно нажать Файл > Печать, который отправляет данные моделирования на биопринтер.
- Принтер выводит орган по одному слою за раз, используя биочернила и гель для создания сложной многоклеточной ткани и удержания ее на месте.
- Наконец, ученые извлекают орган из принтера и помещают его в инкубатор, где клетки в биочернилах наслаждаются теплым и спокойным отдыхом, чтобы начать жить и работать вместе. Например, клетки печени должны образовывать то, что биологи называют «плотными соединениями», которые описывают, как клеточная мембрана одной клетки сливается с клеточной мембраной соседней клетки. Время в инкубаторе действительно окупается - несколько часов в тепле превращают биочернила в живую ткань, способную выполнять функции печени и выживать в лаборатории до 40 дней.
Заключительный этап этого процесса - заставить напечатанные клетки органов вести себя как нативные клетки - оказался сложным. Некоторые ученые рекомендуют делать биопринтинг со стволовыми клетками пациента. После помещения в требуемое для них трехмерное пространство они затем дифференцируются в зрелые клетки со всеми инструкциями о том, как «вести себя». Затем, конечно, возникает проблема доставки крови ко всем клеткам печатного органа. В настоящее время биопечать не предлагает достаточного разрешения для создания крошечных капилляров толщиной в одну клетку. Но ученые напечатали более крупные кровеносные сосуды, и по мере совершенствования технологии следующим шагом станут полностью функциональные замещающие органы с васкуляризацией, необходимой для того, чтобы оставаться живыми и здоровыми.
Использование трехмерных органов
На момент публикации хирурги не имплантировали человеку напечатанный с нуля орган. Это не значит, что не было успехов. Замена частей скелета - одна из областей, в которой 3D-печать произвела революцию. Некоторые стоматологи в настоящее время делают внутриротовое сканирование зубов пациента и отправляют его в лабораторию, которая с помощью 3D-принтера изготавливает фарфоровый мост. Производители протезов также изменили свой подход к конструированию протезов. Теперь многие могут печатать обтекатели - чехлы для протезов конечностей, которые идеально повторяют анатомию человека, обеспечивая более удобную посадку. Это всего лишь прелюдия к тому, что может быть в будущем: печать целых костей для размещения в теле. Врачи в Нидерландах уже создали нижнюю челюсть на 3D-принтере и имплантировали челюсть из титана с биокерамическим покрытием пациенту, страдающему хронической инфекцией костей.
Ученым также удалось напечатать хрящевые структуры, такие как уши и трахеи. Чтобы сделать первый, биоинженеры делают 3D-сканирование уха пациента, создают слепок с помощью программного обеспечения САПР, а затем распечатывают его. Затем в форму вводят хрящевые клетки и коллаген. Проведя некоторое время в инкубаторе, выходит ухо, готовое к прикреплению к больному. Таким же образом можно сделать трахею. В 2012 году врачи Мичиганского университета напечатали рукав, сделанный из 3D-модели, созданной на основе компьютерной томографии, для обертывания и поддержки трахеи ребенка, которая стала слабой и дряблой из-за редкого дефекта.
Святой Грааль, конечно же, биопечатный орган, и кожа - самый большой орган тела - может быть первым пунктом в списке. Исследователи из Института регенеративной медицины Уэйк Форест уже разработали полную систему для печати кожных трансплантатов. Система включает в себя сканер для картирования ран пациента и специальный струйный принтер, который наносит клетки, белки и ферменты, необходимые для формирования кожи человека. Цель состоит в том, чтобы создать портативные принтеры для использования в полевых госпиталях, где врачи смогут печатать кожу непосредственно на пациентах.
Пока эти чудеса не появятся в сети, трехмерные органы будут играть важную роль в образовании и разработке лекарств. Они могут даже участвовать в разработке продуктов питания и одежды (выращенного в лаборатории мяса и кожи). Некоторые медицинские школы вложили средства в технологию 3D-печати для создания хирургических моделей органов из изображений КТ или МРТ. Это позволяет студентам практиковаться на сердце, печени и других структурах, которые выглядят и ощущаются как настоящие. Доступ к таким реалистичным тканям также приносит пользу фармацевтическим компаниям, которые могут тестировать лекарства-кандидаты, чтобы увидеть их эффекты. В Organovo есть несколько принтеров, способных распечатывать трехмерные модели печени, почек и раковых тканей. Это не полноценные органы, предназначенные для вечной жизни. Вместо этого они представляют собой «органы на чипе» - небольшие биологически активные образцы тканей, предназначенные для того, чтобы реагировать так же, как нативные ткани.
Возможно, когда-нибудь биопечать сделает любого Виктором Франкенштейном, способным распечатать органы, кости и мышцы и собрать из всего этого разумное подобие человека. Опять же, есть проблема нервной системы. Даже самые лучшие сканеры, принтеры, чернила и гели не смогут воссоздать мыслящий, мечтающий мозг. А без этого наши усилия оставили бы нас с коллекцией анатомически правильных, трехмерно точных органов, но не с чем их контролировать.
Кто главный в биопечати?
В США эта роль досталась бы Управлению по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, но это также новая территория для агентства. Согласно сообщению в блоге от 15 августа 2013 года, этим делом занимаются две лаборатории в Управлении научных и инженерных лабораторий (OSEL) агентства. Лаборатория механики твердого тела занимается оценкой того, «как различные методы и процессы печати влияют на прочность и долговечность материалов, используемых в медицинских устройствах». Лаборатория функциональных характеристик и использования устройств «разработала и адаптировала методы компьютерного моделирования, чтобы помочь нам определить влияние изменений конструкции на безопасность и производительность устройств при использовании у разных групп пациентов».
Примечание автора: как работает трехмерная биопечать
Я помню свой первый принтер: пишущая машинка Brother, подключенная к Commodore 64, за которой последовал принтер с ромашкой на базе IBM PC. Трудно поверить, что когда-нибудь на наших рабочих столах появятся биопринтеры. Если да, интересно, где мы пойдем за новыми картриджами с биочернилами?