Как создают трехмерные органы?

Что можно напечатать уже сегодня

Трехмерные органы пока еще не пересаживали людям, но технология биопечати совершенствуется с каждым днем: уже созданы уши, мышцы, кости черепа, сосуды, кожа, трахея, сердечная ткань, почечная ткань, хрящевые структуры. Всего пару десятилетий назад технология биопечати казалась чем-то из области фантастики.

Самые крупные успехи достигнуты в печати полых органов, таких как мочевой пузырь. Создание паренхиматозных, состоящих из сплошной ткани, органов — более сложная задача, но и в этой области есть успехи. Например, ученые уже умеют печатать почечную ткань, которую можно использовать для клинических исследований лекарств.

Как работает принтер

Примерно по тому же принципу, что и обычный 3D-принтер, только вместо разноцветных полимеров он использует разные типы живых клеток. Материал для печати — шарики неправильной формы, состоящие из живых клеток,— сфероиды. Для того чтобы они не слиплись внутри принтера, каждый сфероид окружен специальной оболочкой, которая в определенный момент растворяется.

Чтобы напечатать любой орган или его часть, ученым нужна трехмерная компьютерная модель. Получить ее достаточно легко: КТ- и МРТ- томографы позволяют отсканировать тело человека и создать трехмерную модель любой анатомической структуры. Для создания искусственного органа используют специальные клетки, так называемые плюрипотентные стволовые клетки — их можно превращать в специализированные клетки разных органов.

Сложности для ученых

Полноценный орган — не пластмассовый протез и не трехмерная статуэтка. Он имеет сложную внутреннюю структуру. Клетки разных видов внутри должны быть расположены определенным образом, окружены нервными окончаниями, артериями, венами, нужен каркас из соединительной ткани. Кроме того, многие органы (печень и поджелудочная железа, например) имеют систему протоков. С построением полноценной сосудистой сети для подобных органов до сих пор возникают проблемы.

Естественно ни одна живая ткань не сможет долго существовать без кислорода и питательных веществ. Поэтому биопечать должна быть достаточно быстрой, чтобы не допустить кислородного голодания клеток. А еще готовый орган до полного «созревания» нужно поместить в специальную питательную среду. Если структура достаточно толстая, кислород с питательными веществами как-то нужно подводить к клеткам, которые находятся в толще ткани. Распечатанные на 3D-принтере органы нельзя «консервировать» и хранить много лет, обычно они живут в течение нескольких дней.

Как еще применяют 3D-технологии в медицине

На 3D-принтере научились печатать таблетки. В августе 2015 года американское Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA) одобрило SPRITAM (леветирацетам) — препарат для лечения эпилепсии, созданный при помощи трехмерной печати. Такие таблетки растворяются в воде почти мгновенно — для многих пациентов это очень удобно. Компания Aprecia Pharmaceuticals, создавшая препарат, по всей видимости, не собирается останавливаться на достигнутом.

Кроме того, распечатанные ткани могут помочь фармацевтическим компаниям. На них можно испытывать новые лекарства. Например, ученые возлагают надежды на созданную методом биопечати почечную ткань .

Другой пример. Бронхоскопия — сложная процедура, во время которой врач вводит в бронхи пациента специальный инструмент — гибкую трубку с лампочкой и видеокамерой на конце. Перед тем как проделывать такую манипуляцию с живыми людьми, врач должен «набить руку» на муляжах. Не имея навыка, можно проткнуть стенку бронха и вызвать кровотечение, поэтому важно, чтобы тренировочная модель бронхиального дерева была максимально реалистичной. В 2015 году ученые из штата Массачусетс обнаружили, что лучше всего подходят муляжи из гибкого нейлона, напечатанные на 3D-принтере. Они помогают врачам хорошо отработать навык, а обходятся дешевле, чем другие решения.

Каждый день 20 человек умирают из-за того, что для них не нашлось доноров органов. В других странах цифры выглядят не менее пессимистично. В будущем органы, напечатанные на 3D-принтере, могут спасать жизни.