Учёные из Ростова разработали биопринтер для печати живых тканей

Вопреки прогнозам врачей

Люк Массела родился в 1991 году с редким врождённым пороком развития позвоночника и спинного мозга. Spina bifida или расщепление позвоночника появляется на ранних стадиях беременности и приводит к серьёзным проблемам со здоровьем у ребёнка.

В детстве Люк перенёс 17 операций и опроверг прогнозы врачей о том, что он никогда не сможет ходить. Но к десяти годам мальчик опять попал в больницу: из-за неправильной работы мочевого пузыря в почки стала возвращаться жидкость, врачи диагностировали необратимую патологию органа. По словам самого Люка, он больше не мог заниматься спортом, жить жизнью обычного ребёнка и играть с братом.

«В лучшем случае мне пришлось бы делать диализ до конца жизни», – рассказывает сам Массела. Медленно умирающему ребёнку опять повезло, он стал одним из десяти счастливчиков, которым в качестве эксперимента заменили дефектный мочевой пузырь.

Читайте также:

Трансгенные свиньи станут донорами органов для человека

Доктор Энтони Атала из Детского госпиталя Бостона вырастил в лаборатории для Люка Массела из его собственных клеток новый мочевой пузырь. На это ушло два месяца, но в итоге мальчику пересадили обновлённый орган. Использование собственных клеток пациента помогло новому мочевому пузырю быстро прижиться в организме Люка. «По сути это была обычная трансплантация мочевого пузыря, но только он был сделан из моих собственных клеток, поэтому вопрос отторжения не стоял», – объясняет Массела.

Отторжение – одна из главных проблем в трансплантации, она возникает как реакция иммунной системы организма на чужеродные клетки. Сейчас Люк живёт полноценной жизнью без каких-либо проблем со здоровьем, но его история – единичный случай из мировой практики. Зачастую люди не дожидаются операции, или не находится подходящий донор для пересадки.

Ежегодно в мире выполняется около 100 тыс. трансплантаций органов и более 200 тыс. – человеческих тканей и клеток. Среди них лидируют пересадка почек и печени. Но и эти объёмы в сотни раз ниже потребности в данных операциях. Нехватка донорских органов, длительность ожидания операции, дороговизна традиционной пересадки и проблемы иммуносовместимости тканей заставляют учёных искать альтернативные технологии. Более безопасные, экономичные и эффективные.

Фото: donstu.ru

3D-модели органов, но не сами органы

С развитием медицины «счастливчиков», которым пересаживают органы из их собственных клеток становится всё больше. В недалёком будущем скорость выращивания тканей и органов для трансплантации будет занимать не два месяца, а два часа. 3D-принтеры научились печатать обувь, дома и даже другие 3D-принтеры. В медицине же возможность создавать органы и ткани с помощью объёмной печати важна как нигде ещё.

Сейчас с помощью 3D-принтера можно, например, создать точную модель любого органа человека или части его тела. Современные методы диагностики с применением спиральной компьютерной томографии или магниторезонансной томографии позволяют получить полную информацию о микроанатомии человека. Последующая компьютерная обработка данных создаёт трехмерную виртуальную модель как отдельных органов, так и организма человека в целом. Благодаря этому учёные могут материализовать виртуальные 3D-модели.

В России с 2015 года проводятся операции на сердце, которые планируются на 3D-печатных прототипах органов. Важная характеристика таких объектов состоит в том, что они моделируются с учётом всех анатомических особенностей человека и помогают хирургам провести необходимые процедуры более быстро и точно. При лечении пороков сердца это сокращает время операции и снижает риски осложнений.

Фото: donstu.ru

Печать живыми клетками

В Донском государственном техническом университете шагнули на новый уровень и разработали функциональный прототип биопринтера BION-F, который действует по принципу аддитивных технологий. Устройство печатает живыми клетками и позволяет создавать 3D-объект с помощью материалов, наносимых послойно. Как отмечают в университете, такое оборудование способно напечатать биоактивные каркасы из смеси материалов, которые поддерживают жизнеспособность клеток. Теперь на основе биопринтера учёным предстоит создать аппарат для печати живых органов.

В основе развития биопечати лежит высокий уровень конструкции обычных принтеров, которые модернизируются инженерами совместно с биологами. Как поясняет автор разработки, эксперт совместной научно-исследовательской лаборатории ДГТУ-РНИОИ «Инженерные технологии в медицине» Сергей Чапек, биопечать – это процесс аддитивного производства, при котором биоматериалы объединяются в тканеподобные структуры, имитирующие естественные ткани.

В качестве основного материала здесь используются специальные биоматериалы, которые позволяют создавать ткань, максимально схожую с природной. Технология печати живыми клетками включает в себя те же элементы, что и обычная полиграфия. Только аналогом текста здесь выступает цифровая модель человеческого органа. Бумагу заменяют гидрогели и питательные основы, а чернила – клеточные сфероиды.

Биоискусственные системы сочетают в себе свойства живой и неживой материи. Они могут полностью или частично заменить функции утраченных органов или тканей. Такие системы являются своего рода биоинкубаторами, в которых клетки обеспечены необходимыми условиями для нормального функционирования, деления и размножения. Биоискусственные системы могут применяться и для биостимуляции регенерации собственных клеток поврежденных органов и тканей реципиента. С помощью биопечати можно искусственно создать органы и ткани из собственных клеток пациента, что повысит их доступность для трансплантации и снизит уровень инвалидности и смертности.

Фото: donstu.ru

Просто и дёшево

Печать на новом биопринтере BION-F происходит с помощью скаффолдов – трёхмерных подложек-носителей, которые необходимы для формирования будущего клеточного органа или его фрагмента. На создание одного такого элемента требуется от 20 минут до нескольких часов. Все зависит от размера и структуры, которую нужно напечатать.

Современные технологии клеточной инженерии позволяют выращивать в лабораторных условиях на скаффолде клетки, изначально имея всего несколько капель крови пациента. Затем новейший биопринтер наносит тонкий слой биологического материала на поверхность каркаса из биосовместимых материалов один за одним, пока не будет целиком создан объект сложной формы. В итоге имплантируемые в организм человека биоискусственные системы обеспечивают клеткам необходимые условия для полноценного функционирования. Затем подложки со временем разлагаются, и в теле пациента не остаётся инородных материалов.

«Мы решили использовать технологию быстрого прототипирования, а именно 3D-печать. Данный метод позволил значительно сократить время и затраты на производство биопринтера», – рассказал Сергей Чапек.

По его словам, новый аппарат может использоваться для тканевой инженерии и для проведения исследований, направленных на изучение материалов, которые применяются при печати на биопринтерах. «На нашем устройстве можно производить различные манипуляции: создавать скаффолды – трёхмерные подложки для пространственного формирования будущей клеточной структуры, осуществлять печать с использованием биочернил или с применением биопластика с гидрогелем», – добавил Чапек.

Сергей добавил, что уникальность новой технологии в её простоте. Команда учёных на весь мир показала доступность 3D-печати клетками. Биопринтер, который разработан инженерами из Ростова может создавать точно такие же подложки, как и на более дорогих машинах. Теперь не обязательно иметь дорогой импортный аналог биопринтера для создания скаффолдов.

По словам сотрудников университета, их разработка может использоваться в таких сферах как регенеративная медицина, косметическая хирургия, фармацевтическое тестирование и подбор медицинских препаратов. Следующим шагом для инженеров донского вуза станет объединение с биологами, которые помогут продолжить работу в этом направлении. С помощью новой технологии в недалёком будущем в Ростове будут печатать живые ткани и органы с помощью биопринтеров.