Даже генетический клон может оказаться «устроенным» совсем по другому, нежели человек изначальный, служивший ему образцом. Ну а трансплантология поэтому-то так и ограничена в своих возможностях, несмотря на запредельную сложность и дороговизну. Дело в том, что все те биологические процессы, которые и являются жизнью, протекают в типичной «большой системе», претерпевающей массу воздействий и реагирующей на каждое на них непредсказуемым образом. Конечно, петли регулирования отклонения вводят в некоторые нормы, но только в некоторые!

А вот такая вещь, как печать «запасного» органа из клеточного материала, стала возможной благодаря развитию технологий 3D-печати, о чем «Компьютерра» не раз писала. Но, хотя существуют успешные примеры применения в лечении пациентов искусственных трахей, объемно напечатанных из клеточного материала (тестирование, кстати, проходило и в России), возможности изначально существующей технологии были ограничены. Она не могла производить достаточно толстые и объёмные искусственные органы.

Почему? Да потому что клеткам нужна подача энергии и строительных материалов, с отводом отработанного сырья. Того, что обеспечивается кровеносной системой, которой в искусственных органах «первого поколения» и не было: принтеры формировали из клеточного материала массу разных форм и размеров, но однородную. Из одних и тех же клеток — пригодную, скажем, для искусственной кожи. Но вот теперь ситуация радикально изменилась к лучшему.

Вместо мрачных «сумасшедших учёных», бросающих вызов Природе, с Эволюцией бойко спорит компания ухмыляющейся молодёжи.

Исследовательская группа из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, возглавляемая профессором Дженнифер Льюис (Jennifer A. Lewis), сумела, используя выполненный по специальному заказу объёмный принтер с четырьмя печатными головками, произвести васкуляризированную живую ткань, в которой клетки перемежаются кровеносными сосудами. Об этом рассказано в статье «3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs».

Исследователям из Lewis Lab удалось решить эту проблему благодаря использованию нескольких видов чернил. Первыми чернилами выступало желатинообразное вещество, исполняющее роль внеклеточной матрицы — ту роль, которую в живом организме исполняет смесь белков и прочей биохимии, окружающей клетки. Двое других чернил состояли из желатина, исполняющего роль строительного раствора, и «кирпичиков» двух родов, которыми были мышиные клетки и клетки человеческой кожи.

Пока результаты биопечати скромны.

Ну а главная хитрость состояла в использовании ещё одного сорта чернил. Им выступил материал с парадоксальными свойствами — желеобразный при комнатной температуре, при которой и производилась печать, и разжижающийся при температурах низких. И вот этим-то материалом и заполнялись полости будущих кровеносных сосудов. А дальше, когда искусственный орган сформирован, он охлаждается и помещается в вакуум — благодаря чему разжижившийся материал вытекает, формируя полости, по которым предстоит циркулировать крови.

Процедура поразительно знакомая для любого инженера: натуральное литье по выплавляемым моделям, только наоборот. Тут модель не выплавляется, а, наоборот, выхолаживается, переводясь в жидкую фазу. (Поклонники теории решения изобретательских задач Генриха Сауловича Альтшуллера легко смогут идентифицировать применённые в данном случае приёмы ТРИЗ.) Но главный принцип, применённый для формирования мелких структур, — тот же самый…

Правда, технологические ограничения имеют место и здесь. Пока удалось сформировать кровеносные сосуды диаметром около 75 микрометров. Изготовление капилляров сегодня невозможно. Гарвардские исследователи надеются, что в искусственном органе, в котором сформированы крупные и средние кровеносные сосуды, капилляры начнут прорастать сами собой, в процессе функционирования организма. Ну, примерно как алхимики надеялись на самозарождение гомункулусов. Правда, развитие кровеносных сосудов неизбежно сопровождает работу живой материи.

То есть «объёмно-печатная хирургия», по словам Льюис, должна предшествовать запуску биологических процессов, которые и доработают искусственный орган окончательно. У инженера возникает неистребимое желание сравнить это с обкаткой мотора, неизбежной для тех, кто приобретал мотоцикл индустриальной эпохи… Иными словами, до той власти над живой материей, которую обретали Франкенштейн и Россум из повести Мэри Шелли и пьесы Карела Чапека, пока что далеко.

Но ведь мы имеем дело с весьма низкобюджетными исследованиями (несравнимыми по затратам с ракетно-ядерными), проводимыми на высокостандартизированном оборудовании. Четвёртая головка у объёмного принтера — это именно кастомизация, присущая Индустриализации 2.0, небольшие доработки, опирающиеся на пирамиду технологий. И побочный продукт информационных технологий готов внести кардинальные изменения в здравоохранение!

Михаил Ваннах

«Это фундаментальный шаг к созданию трехмерных живых тканей», – говорит руководитель исследования Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), PhD. Вместе с ведущим автором Дэвидом Колески (David Kolesky) ее группа опубликовала свои результаты в журнале Advanced Materials.

В новом методе 3D печати, разработанном Дженнифер Льюис и ее группой, используются несколько печатающих головок и специальные чернила. (Фото: Wyss Institute and Harvard School of Engineering and Applied Sciences)

Тканевые инженеры уже многие годы пытаются создать васкуляризированные человеческие ткани, достаточно надежные, чтобы служить заменой поврежденным тканям живого организма. Человеческие ткани печатались и раньше, но их образцы имеют толщину не более трети десятицентовой монетки. В конструкциях большей толщины находящиеся в глубине ткани клетки страдают от недостатка питательных веществ и кислорода и лишены возможности удалять оксид углерода и другие токсичные продукты метаболизма. Они задыхаются и умирают.

Природа решает эту проблему, обеспечивая ткани сетью мельчайших тонкостенных кровеносных сосудов, питающих клетки и удаляющих отходы, и Колески и Льюис решили имитировать это ее важнейшее изобретение.

3D-печать прекрасно справляется с созданием тонко детализированных трехмерных структур, как правило, из инертных материалов, таких как пластмассы или металлы. Доктор Льюис и ее группа – пионеры в разработке широкого спектра новых чернил, затвердевающих в материалы с полезными электрическими и механическими свойствами. Такие чернила позволяют 3D-печати перейти от воспроизведения формы к воспроизведению присущей этой форме функции.

В человеческом организме сеть мелких кровеносных сосудов питает ткань и удаляет отходы. Дженнифер Льюис и ее коллеги разработали метод печати 3D тканевых конструкций, позволяющий создать единую структуру из нескольких типов клеток, «склеенных» в ткань
внеклеточным матриксом, со встроенной в нее сосудистой сетью. (Фото: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University)

Чтобы напечатать трехмерные тканевые конструкции с заданной структурой, исследователям были нужны функциональные чернила с полезными биологическими свойствами, и они разработали несколько биочернил, содержащих ключевые ингредиенты живых тканей. Одни чернила содержали внеклеточный матрикс – биологический материал, связывающий клетки в ткань. Вторые чернила содержали как внеклеточный матрикс, так и живые клетки. Чтобы создать кровеносные сосуды, исследователи разработали третьи чернила с необычным свойством: они плавятся при охлаждении, а не при нагревании. Напечатав сеть из нитей, расплавив их путем охлаждения материала и удалив образовавшуюся жидкость, они получили сеть полых трубок, имитирующих сосуды.

Чтобы оценить возможности и универсальность своего метода, ученые напечатали трехмерные тканевые конструкции с различной архитектурой. Кульминацией была конструкция со сложной структурой, содержащая кровеносные сосуды и три различных типа клеток. По сложности такая структура приближается к солидным тканям высших организмов.

Более того, введенные в сосудистую сеть человеческие эндотелиальные клетки образовали выстилку кровеносных сосудов. То, чего добились Льюис и ее коллеги – возможности поддерживать жизнь и рост клеток в такой тканевой конструкции, – важный шаг к печати человеческих тканей.

«В идеале, мы хотим, чтобы максимум работы делала сама биология», – комментирует доктор Льюис.

В настоящее время Льюис и ее группа занимаются созданием функциональных 3D тканей, пригодных для скрининга лекарственных препаратов, но, работая с печатными тканевыми конструкциями, ученые уже сейчас могут пролить свет на фундаментальные процессы, протекающие в живых тканях со сложной архитектурой, – на заживление ран, рост кровеносных сосудов, развитие опухолей, взаимодействие стволовых клеток с их нишами.

«Тканевые инженеры давно ждут появления такого метода», – говорит Дон Ингбер (Don Ingber), MD, директор-основатель Института Висса. «Возможность формировать функциональные сосудистые сети в 3D-тканях до их имплантации не только позволяет создавать ткани большей толщины, но и открывает перспективу хирургического подключения этих сетей к естественной васкулатуре, что, обеспечивая немедленную перфузию имплантированной ткани, значительно повысит ее приживление и выживаемость».

Оригинальная статья

3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs
http://wyss.harvard.edu/…ving-tissues

Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов. После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства.

Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs), он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые “знают”, как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.

В декабре 2010 года компания Organovo создала при помощи биопринтера первые кровеносные сосуды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также успешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам, а эксперименты по пересадке созданных таким методом тканей человеку запланированы на 2015 год. Тем не менее, ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит ученым тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.

Со временем, как только испытания на человеке будут завершены, Organovo надеется, что биопринтеры будут использовать для получения трансплантатов кровеносных сосудов и применяться в операциях по шунтированию сердца. Намерения компании включают масштабную разработку технологий создания тканей и органов “на заказ”. Для реализации этой задачи исследователи в настоящее время работают над созданием крошечных механических устройств, которые могут осуществлять искусственную тренировку и, следовательно, укреплять мышечные ткани, созданные на биопринтере, до имплантирования в тело пациента.

Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.

Регенеративная основа и кости

Еще одна группа исследований, преследующая долговременную цель получения человеческих органов “на заказ”, создала биоплоттер Envisiontec Bioplotter. Как и NovoGen MMX компании Organovo, этот биоплоттер выводит биочернильные тканевые сфероиды и вспомогательные материалы, включающие поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста. Помимо этого Envisontec также может печатать более широкий спектр биоматериалов – биоразлагаемые полимеры и биокерамику, которая может быть использована для поддержки и придания формы искусственным органам. Эти материалы, созданные на биопринтере, могут быть использованы даже в качестве заменителя костей.

Команда под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab) работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. В настоящее время экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путем стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.

При проведении другого эксперимента команда Мао имплантировала решетчатую структуру, созданную на биопринтере, в район бедренной кости нескольким кроликам. И снова эта конструкция была насыщена факторами роста. Как сообщил медицинский журнал The Lancet, в течение четырех месяцев у всех кроликов образовались новые, полностью функциональные суставы вокруг этой решетки. Некоторые кролики даже начали передвигаться и переносить вес на свои новые суставы уже через несколько недель после операции. В следующем десятилетии люди, нуждающиеся в эндопротезировании, уже смогут получить новые тазобедренные суставы и другие кости, созданные с помощью технологии биопечати. Команда из Университета штата Вашингтон недавно сообщила о результатах четырех лет работы с использованием 3D-принтера для создания костеподобного материала, который в будущем может быть использован для восстановления поврежденных человеческих костей.

Биопечать In Situ

Вышеупомянутый научный прогресс со временем позволит получать в лабораториях органы с помощью биопринтеров из собственных клеток пациента, что может привести к революции в медицине. Тем не менее, другие исследователи пытались пойти дальше и разработать методы, позволяющие распечатать новую ткань или орган непосредственно на теле. В следующем десятилетии врачи получат возможность просканировать раны и нанести слои клеток для их быстрого заживления.

В настоящее время команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата (Anthony Alata) в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесенных мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две – три недели (примерно пять-шесть недель – в контрольной группе).

Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях. В настоящее время работа все еще находится в фазе доклинических испытаний. Алата развивает технологии, экспериментируя на свиньях. Тем не менее, испытания на людях, пострадавших от ожогов, могут быть осуществлены в течение ближайших пяти лет.

Потенциал для использования биопринтеров для восстановления поврежденных тканей и органов нашего тела in situ просто колоссальный. Возможно уже в следующем десятилетии станет возможным создание роботизированной хирургической руки с наконечником в виде головки биопринтера, которая будет проникать в тело и осуществлять восстановление повреждений на клеточном уровне. Пациентам по-прежнему нужно будет отдыхать и восстанавливать силы в течение нескольких дней, пока созданный биопринтером материал полностью станет зрелой живой тканью. Тем не менее, большинство пациентов в перспективе смогут реабилитироваться после очень серьезной операции менее, чем за неделю.

Использование в косметологии

Также как и восстановление внутренних органов биопринтером через небольшой надрез на теле пациента, применение этой технологии имеет большие перспективы и в области косметологии. Например, могут быть созданы биопринтеры для печати человеческих лиц. Они будут испарять существующие ткани и одновременно заменять их новыми клетками, создавая новое лицо по желанию самого пациента.