Цифровой журнал «Компьютерра» № 166

Опубликовано 26 марта 2013

С технологией 3D-печати и биопринтерами в медицине связано много разработок, кажущихся фантастическими. Быстрое заживление обширных ран, воссоздание сосудов, клапанов, суставных поверхностей и в перспективе – послойная печать целых органов. Что возможно уже сейчас, и какие направления актуальны в медицинской 3D-печати?

Что такое биопечать?

Согласно тезисам Международной конференции 3B’09, биопечатью называется использование автоматизированных процессов при сборке из биологических материалов определённой плоской или объёмной структуры для нужд регенеративной медицины, фармакологических и цитобиологических исследований.

Параллельно в русскоязычной печати прижился и другой термин (калька с английского) – биопринтинг. Процесс действительно напоминает струйную печать, в которой вместо пигментов используются живые клетки. Это может быть монокультура клеток с конечной функцией (например, клетки внутренней оболочки сосудов) или взвесь плюрипотентных стволовых клеток, способных сформировать любую ткань.

_{3D-биопринтер в лаборатории (фото: Wiired)}

Послойная печать тканей и органов создаёт базу для развития трансплантологии. Это направление способно решить множество актуальных медицинских проблем. В первую очередь снимаются вопросы долгого ожидания донорских органов, риск их отторжения и осложнений в связи с подавлением иммунитета.

История вопроса

Идея использовать клеточные культуры вместо чернил и создавать биологические ткани методами модифицированной струйной печати зародилась в конце прошлого века. Одной из первых публикаций о её успешном освоении можно считать статью Владимира Миронова и соавторов, вышедшую в апреле 2003 года в журнале Trends in Biotechnology.

Приставка 3D была использована в ней скорее как указание на перспективы работы, поскольку на тот момент в самом исследовании удалось создать один слой эндотелиальных клеток и полученную структуру нельзя было назвать объёмной. Главным достижением проведённого исследования была демонстрация самой возможности прецизионно размещать живые клетки методами струйной печати с сохранением их жизнеспособности.

На протяжении последующих лет каждая группа исследователей использовала свой вариант биопринтера и различные вариации методики распределения клеток. Первый серийно выпускаемый биопринтер появился в конце 2009 года. Он был изготовлен австралийской компанией Invetech по заказу американской Organovo. Последняя фирма была основана в 2007 году и уже спустя пять лет упоминалась в обзоре MIT среди наиболее инновационных компаний. Взгляните на следующий ролик.

Недавно Organovo заключила контракт с Autodesk. В известных системах автоматизированного проектирования органы будут чертить примерно так же, как детали для автомобилей и роботов.

Проблемы и решения

С этапом проектирования особых вопросов не возникает, однако сам процесс печати при этом имеет важное отличие. «Биологические чернила» состоят из нескольких компонентов, которые надо точно дозировать так, чтобы «печатающие головки» не мешали друг другу. Над развитием многокомпонентной печати активно работает компания AMTecH.

_{Концепт многокомпонентной системы печати биопечати (изображение: pcmweb.nl)}

Сейчас технология печати живыми клетками сдерживается массой факторов. Наивно полагать, что через год-два начнут печатать органы, а службу по заготовке донорских образцов можно будет упразднить. Помимо специфических сложностей в самой процедуре 3D-печати разными клетками есть целый ряд общих проблем.

Например, каждый орган требует «подключения» к нервной системе и разветвлённой сети кровеносных сосудов. Если проблема реиннервации ещё как-то решается современной трансплантологией, то питающая сеть сосудов нужна уже на этапе формирования органа. Кровеносная система даже на отдельных участках буквально пронизана хитросплетениями. Собственные сосуды есть и во внешних оболочках артерий и вен, а порядок ветвлений внутри органа часто превышает десять уровней.

_{Модели кровеносной системы почек и печени (изображение: sciencephoto.com, anatomikmodeller.com)}

Напечатать кровеносный сосуд пока ещё сложно даже на уровне концепции. Это не эластичная трубка заданного диаметра, как представляется большинству людей с техническим образованием. У сосудов каждого типа есть важные особенности, которые необходимо уметь воспроизвести.

Артерии и вены состоят из слоёв разных клеток, которые образуют специфическую пространственную структуру. Она позволяет каждому сосуду взаимодействовать с другими и с организмом в целом. Даже диаметр пор в стенках и локальный тонус регулируются очень непросто.