Напечатай это! Биопринтинг или как 3D принтеры создают людские сердца -

Медицина на пороге революции, и имя ей – биопринтинг.

Технология, которая еще недавно казалась научной фантастикой, сегодня спасает жизни миллионов людей, нуждающихся в пересадке органов. Да-да, речь про те самые 3D-принтеры, которые когда-то могли печатать максимум пластиковые игрушки и фигурки. Сегодня же они печатают ткани, сосуды и даже целые органы, тем самым открывая перед медициной беспрецедентные возможности лечения самых сложных и смертельно опасных заболеваний.

История биопринтинга: от чернил к живым клеткам

История биопринтинга – это захватывающее путешествие длиной в несколько десятков лет. Началось оно в конце 1980-х годов, когда ученые начали осваивать возможности 3D-печати для создания различных материалов (в первую очередь для строительства и инженерии, а уже потом для всего остального). Так, первый 3D-принтер появился в 1988 году благодаря усилиям Чарльза Халла, но распространения, конечно, не получил а счет дороговизны и несовершенства.

Только в начале 2000-х годов исследователи сделали первый шаг к биопринтингу, создав прототип принтера, способного наносить клетки на различные поверхности. Тогда же появилась концепция биочернил – материала, сочетающего живые клетки и специальные гели, которые бы обеспечивали им поддержку и питание. Этот период ознаменовался началом экспериментов с созданием простых тканей, таких как кожа и хрящи.

Важным прорывом стало патентование Томасом Боландом из университета Клемсона в 2003 году технологии струйной печати для создания клеточных структур. Именно этот момент можно считать отправной точкой современного биопринтинга. В последующие годы биопринтинг развивался стремительными темпами, появились новые методы печати, такие как экструзионный биопринтинг, где биочернила выдавливаются через сопло, и лазерно-индуцированный перенос, где лазер используется для переноса клеток на заданную поверхность.

2010-е годы стали периодом активного поиска еще более совершенных, безопасных и удобных способов печати для медицинских целей. Ученые начали печатать более сложные структуры, такие как кровеносные сосуды и сердечные клапаны. В 2013 году компания Organovo Holdings совершила прорыв, напечатав первую функциональную человеческую печень. Хотя это был всего лишь небольшой фрагмент ткани, он продемонстрировал принципиальную возможность создания сложных органов с использованием биопринтинга. А в 2019 году российская компания 3D Bioprinting Solutions напечатала первую функционирующую щитовидную железу мыши, которая была успешно пересажена животному, что тем самым подтвердило работоспособность технологии на практике.

После 2020 года же появилось то, что мы имеем с вами сейчас, а именно новые биочернила, которые лучше поддерживают жизнеспособность клеток и обеспечивают формирование правильной биоструктуры. Теперь биопринтинг позволяет печатать еще больше внутренних органов и, хотя до полной замены донорских еще не дошло, он уже активно применяется в сфере пересадки.

Какие органы можно «напечатать» в 2025 году?

Хотя создание полноценных, функционирующих органов для трансплантации все еще остается сложной задачей, уже сейчас технология демонстрирует впечатляющие результаты в печати органов небольших или же тканей, поскольку проще всего гарантировать их приживаемость. Так, 3D-принтер сегодня может создать:

Кожу. Напечатанная кожа успешно используется для лечения ожогов в результате пожаров, хронических ран, язв и других повреждений, обеспечивая быстрое заживление и снижая риск образования рубцов. Например, компания Renmatix разработала технологию печати кожи, которая позволяет создавать ткани, идентичные коже пациента, что сводит к минимуму вероятность отторжения и вдобавок гарантирует хороший эстетический эффект.
Хрящи. Биопринтинг хрящевой ткани открывает новые возможности для лечения заболеваний суставов, таких как артрит и остеоартроз. Компания Poietis, используя лазерный биопринтинг, создает хрящевые имплантаты, которые не только заполняют дефекты, но и стимулируют регенерацию собственных хрящей
Кровеносные сосуды. Создание функциональных кровеносных сосудов – критически важный шаг на пути к печати более сложных органов. Напечатанные сосуды могут быть использованы для лечения заболеваний периферических артерий, для обходных операций, а также для обеспечения питания и васкуляризации напечатанных органов и тканей.
Сердечные клапаны. Биопринтинг сердечных клапанов представляет собой перспективную альтернативу традиционным методам лечения пороков сердца, таким как механические и биологические протезы клапанов. Напечатанные клапаны, созданные из собственных клеток пациента, могут расти и адаптироваться вместе с организмом, что особенно важно для детей с врожденными заболеваниями.
Печень. Хотя создание полноценной печени для трансплантации остается сложной задачей, биопринтинг фрагментов печеночной ткани (печеночных долек) уже сегодня используется для тестирования лекарственных препаратов и изучения заболеваний печени. Так, компания Organovo Holdings разработала технологию печати 3D-моделей печени, которые позволяют более точно оценивать токсичность и эффективность новых лекарств, чем традиционные методы тестирования на клеточных культурах.

Биопринтинг также демонстрирует успешные результаты в создании небольших органов и тканей, таких как трахея, мочевой пузырь и отдельные фрагменты почек. Эти достижения открывают новые возможности для лечения заболеваний этих органов и уменьшения потребности в донорских.

И все-таки самой главной целью биопринтинга, ради которой все это и затевалось, остается сердце, поскольку оно самое востребованное среди органов для пересадки. По данным Всемирной организации здравоохранения, сердечная недостаточность является одной из ведущих причин смерти в мире. Только в США в списке ожидания на пересадку сердца находятся тысячи людей.

Сложность биопринтинга сердца в том, что сердце состоит из различных типов клеток, включая кардиомиоциты (клетки сердечной мышцы), фибробласты (клетки соединительной ткани) и эндотелиальные клетки (клетки, выстилающие кровеносные сосуды). Тем не менее, ученым удалось научиться печатать сердечные клапаны и фрагменты миокарда, однако до печати целого органа все еще предстоит долгий путь.

Что нужно для печати органов? Биология, наука и этика

Процесс биопринтинга – это сложный и многоступенчатый процесс, требующий интеграции знаний из различных областей науки, включая биологию, химию, инженерию и медицину. Каждый этап требует высокой точности, контроля и понимания биологических процессов:

Получение и подготовка клеток. Клетки получают напрямую от пациента (чтобы снизить риск отторжения), а затем используют для создания биочернил. Обычно используются клетки стволовые, которые могут быть получены из костного мозга, крови (периферической крови или пуповинной крови) или других тканей, таких как жировая, например. Стволовые клетки, особенно мезенхимальные стволовые клетки (МСК), обладают способностью дифференцироваться в различные типы клеток (кардиомиоциты, хондроциты, гепатоциты и т.д.), что позволяет создавать ткани и органы с нужной структурой и функцией на их основе.
Создание биочернил. Подготовленные клетки смешиваются со специальным гелем – биоматериалом, который обеспечивает поддержку, питание и правильное расположение клеток в процессе печати. Состав биочернил подбирается индивидуально для каждого типа ткани или органа, учитывая потребности клеток в питательных веществах, факторах роста и других биологически активных веществах. Гель должен обладать и определенными физическими свойствами, а именно вязкостью, тиксотропностью, способностью к быстрому затвердеванию после печати, чтобы обеспечить сохранение формы напечатанной структуры. При этом очень важно, чтобы биоматериал был разлагаемым и растворился в организме пациента без вреда для него после пересадки.
Печать. Биочернила загружаются в 3D-принтер, который послойно наносит их на заданную поверхность, создавая трехмерную структуру органа или ткани. Существуют различные методы биопечати: струйная печать, экструзионная печать, лазерно-индуцированная печать и другие. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения точности, скорости и жизнеспособности клеток. Процесс печати контролируется компьютером, который использует данные компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ) для создания точной трехмерной модели органа, подлежащего замене или восстановлению. При этом важно следить в процессе за состоянием клеток, чтобы печать нечаянно не вызвала их гибель.
Созревание и васкуляризация. После печати орган или ткань помещаются в специальный биореактор, где создаются условия, необходимые для созревания, формирования функциональной ткани и васкуляризации (образования кровеносных сосудов). Биореактор обеспечивает оптимальную температуру, pH, концентрацию кислорода и питательных веществ, а также механическую стимуляцию, имитирующую естественную среду организма. Васкуляризация – критически важный этап, поскольку кровеносные сосуды обеспечивают питание и кислородом все клетки напечатанного органа, а также удаляют продукты метаболизма.

Риски и опасности биопринтинга

Как и любая прорывная технология, биопринтинг, несмотря на свои колоссальные перспективы, несет в себе ряд рисков и потенциальных опасностей, в первую очередь, конечно же, для пациента, ради которого эти технологии применяются.

Так, одной из главных проблем остается риск отторжения напечатанного органа иммунной системой пациента. Наш организм, распознавая чужеродные клетки, автоматически запускает аутоиммунный процесс, направленный на уничтожение имплантата. Чтобы минимизировать этот риск, ученые и используют клетки самого пациента для создания биочернил. Однако, даже в этом случае, отторжение не исключено, поскольку процесс культивирования и печати может изменить поверхностные клеточные антигены. Исследования в этой области, например, работы группы профессора Энтони Атала в Институте регенеративной медицины Уэйк Форест, направлены на разработку новых методов иммуномодуляции и создания биосовместимых материалов, способных снизить иммунный ответ человека после пересадки напечатанного органа.

Другой серьезной проблемой является риск инфекции. Процесс печати и созревания органа требует строжайшего соблюдения стерильности. Даже незначительное загрязнение может привести к развитию инфекции, которая поставит под угрозу не только жизнеспособность напечатанного органа, но и жизнь пациента. Исследования в области разработки антимикробных биочернил, например, работы группы профессора Али Хадемхоссейни из Гарвардской медицинской школы, направлены на создание материалов, способных предотвратить рост бактерий и других микроорганизмов.

Нельзя забывать и о потенциальной токсичности материалов, используемых для создания биочернил. Гели, полимеры и другие добавки могут оказывать негативное воздействие на клетки, нарушая их функцию и жизнеспособность. Поэтому, ученые уделяют особое внимание разработке биосовместимых материалов, которые не вызывают воспаления, токсических реакций и не препятствуют росту и дифференцировке клеток. Исследования в этой области, например, работы группы профессора Марка Скаларского из Массачусетского технологического института, направлены на создание новых поколений биочернил, основанных на природных материалах, таких как коллаген, фибрин и альгинат.

Наконец, биопринтинг ставит перед обществом и серьезные этические вопросы. Создание искусственных органов, манипулирование генами и возможность “улучшения” человеческого организма – все это требует тщательного обсуждения и разработки четких этических правил. Например, вопрос доступности биопринтированных органов и тканей, особенно на ранних этапах развития технологии, может привести к социальному неравенству и дискриминации. Кроме того, возможность создания органов с улучшенными характеристиками поднимает вопросы о границах вмешательства в природу человека и потенциальных последствиях для эволюции.

И в то же время возможности и перспективы биопринтинга слишком широки, чтобы от него отказываться. Он может применяться не только для донорства, но и для создания моделей для обучения студентов-медиков, что особенно важно для сложных медицинских направлений, таких как нейрохирургия. В будущем (очень далеком, конечно) это гипотетически может позволить создавать биоимпланты и протезы для людей, потерявших конечности. Представьте себе пересадку целой руки, живой и функционирующей! В 2025 году мы можем наблюдать лишь зачатки будущих технологий, которые, несомненно, однажды полностью изменят человеческую жизнь - и, без сомнений, в лучшую сторону.