Что такое биопечать (3D-биопринтинг)

Потенциал современных технологий в медицине поразителен: роботы-хирурги, Neuralink, генетические исследования, биотехнологии, современное диагностическое оборудование – выводит ее на новый уровень развития. Одним из самых перспективных и динамично развивающихся регенеративных направлений является биопечать органов. 

Что такое биопечать? Биопечать (3D биопринтинг) – это технология послойного (аддитивного) создания живых тканей. Визуально технология идентична работе строительного или промышленного 3D принтера. Несмотря на то, что история биопечати не нова, и первый полноценный эксперимент – печать и пересадка мочевого пузыря группой биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine для семи добровольцев — был еще в 1999 году, говорить об активном использовании в трансплантологии пока еще рано. Где уже применяется биопринтинг, какие виды существуют, и с какими проблемами сталкиваются — рассмотрим в нашем материале. 

Как работает биопечать (биопринтер) 

Миллионы людей по всему миру сегодня нуждаются в пересадке органов. Это связано с онкологическими и генетическими заболеваниями, оперативными вмешательствами, травмами. Согласно доклада Национальной академии наук, техники и медицины по состоянию на февраль 2022 года в очередь на пересадку органов встают около 110 тыс. американцев ежегодно. Рынок трансплантологии не в состоянии гарантировать каждому своевременный доступ к услуге. Кроме того, важнейшим этапом является следующий восстановительный шаг: не будет ли отторжения иммунной системой пациента нового органа? 

Использование ДНК пациентов в создании «живого» трехмерного объекта (кожа, хрящ, кровеносный сосуд или кость) на 3D принтере позволяет решить обе эти задачи: в максимально короткие сроки изготовить необходимый фрагмент или орган, обеспечить полную совместимость. 

Виды биопечати

Существует несколько различных методов биопечати, которые можно использовать для нанесения биоматериалов с клетками и создавать трехмерные модели тканей. Наиболее популярные методы включают струйную (InkJet), лазерную или экструзионную (Extrusion) биопечать. Развитие лазерных 3D-методов сдерживается медленной скоростью метода, ограниченным выбором биочернил, высокой стоимостью и однородностью. Экструзионная биопечать — наиболее популярный метод. По большей части это связано с доступностью самого оборудования. 

Процесс биопечати состоит из трех этапов:

• pre-processing. Подготовка начинается с создания модели будущего объекта. Данные для цифровой модели можно получить в ходе магнитно-резонансной томографии или же задать исходные параметры самостоятельно. Также на этом этапе подбираются материалы: гидрогели (натуральные, синтетические), биочернила (живые клетки).

• processing. Процесс послойного нанесения компонентов имитирует естественное строение органов. В 2009 году специалисты американской компании Organovo поняли, что печать – гораздо эффективнее, чем попытки регенерировать орган в пробирке. При участии австралийской компании Invetech, ими была разработана технология NovoGen: использовался первый серийный принтер с двумя головками (под гидрогель и биологический материал). В 2010 году удалось напечатать работающий кровеносный сосуд.
• post-processing. Важным этапом является создание подходящей среды. Для этого напечатанный материал помещается в биореактор, где орган будет «дозревать/набирать оптимальные показатели» до процедуры имплантации. Специалисты могут влиять на биологические и функциональные свойства подготавливаемой модели, повышая эффективность будущей операции. 

Области применения биопечати

Трансплантология. Биоинженерам США, Израиля, Швеции, Испании удалось достичь значительных результатов в изготовлении «простых» органов: хрящи, кости, кожа, протезы глаз. В том числе и благодаря использованию систем сканирования. Современный сканер эффективнее разрабатывает модель, и более точно задает необходимые параметры.

Что касается кожи, речь идет не только о стандартных этапах биопечати, но и о технологии регенерации непосредственно на пациенте, например после ожогов или сильных повреждений. Над методом активно работает профессор James J. Yoo из Wake Forest University School. Размещение биоматериала сразу в естественные условия для формирования правильной структуры, позволит снизить риск заражения трансплантируемого участка. Для печати вертикальных участков кожи классические принтеры не подходят, поэтому планируют использовать роботы- манипуляторы с большими степенями свободы.

Еще одной сложностью трансплантологии, которую не мог решить и биопринтинг, был этап пересадки: в ходе операции по восстановлению одного участка, повреждались другие. Хирург не может заменить хрящ носа, не сделав надрезы на кожи. Сейчас же ученые из Бельгии, Китая и США во главе с Малин Гоу (Maling Gou) из Сычуаньского университета работают над неинвазивной технологией 3D-биопечати на основе фотополимеризации. Ученые предполагают, что использование мономерного раствора позволит создавать своего рода «заплатки» на поврежденных органах

Научная и исследовательская деятельность. Помимо непосредственного применения технологии биопритинга для создания органов человека или отдельных их участков, как в случае с кожей, доктор Джеффри Грейвс — президент и генеральный директор компании 3D Systems — видит в направлении большой исследовательский потенциал.

Использование 3D биопечати позволит существенно ускорить разработки лекарственных препаратов и повысить эффективность последующих тестирований, уменьшая потребность привлечения для этих целей животных.

В последующем 3D-биопринтинг позволит персонализировать лекарства (частота, доза, ключевые компоненты) в соответствии с их генетическим профилем.

Космос. Освоение космоса, а также рассуждения о его колонизации, ставят перед исследователями и вопрос медицинского обеспечения. Если на Земле не всегда есть возможность быстрой замены или регенерации организма, то в условиях невесомости, это сделать в разы сложнее. В компании 3D Bioprinting Solutions реализуют идею магнитно-акустического принтера (в противном случае напечатанные клетки «собьются» в комок) на базе манипулятора FANUC.

Ведущие компании и стартапы в области 3D биопринтинга

Ожидается, что объем рынка 3D-биопринтинга достигнет 2567 млн долларов США в 2026 году по сравнению с 613 млн долларов США в 2019 году, при темпах роста в 22,7% в течение прогнозируемого периода 2020-2026 гг.

Биопечать в странах СНГ представлена 3D Bioprinting Solutions (Россия). Компания специализируется на бескаркасной печати.

Влияние биопечати на человека

В связи с интересом к направлению у многих возникает вопрос о безопасности использования метода. Безусловно, вопрос требует внимательного изучения в долгосрочной перспективе. Однако, имеющиеся результаты подтверждают эффективность и безвредность напечатанных органов.

Кроме того, ученые убеждены, что даже при наличии у пациента онкологических заболеваний, достаточно провести корректный забор ДНК, чтобы в будущем создать новый орган, не опасаясь рецидивов. 

Коммерческий интерес и инвестиции крупных фармацевтических компаний создают благоприятную среду для развития направления. И хотя на данный момент говорить о создании полноценно функционирующих органов или систем, вышедших из-под биопринтера очень рано, уже сегодня можно с оптимизмом наблюдать за развитием технологии.