3D печать органов: лучше ампутировать ногу, чем лечить перелом

Печать органов на 3D принтере или биопринтинг — перспективная технология выращивания здоровых и живых органов взамен поврежденных или отсутствующих. Кроме 3D-принтера, для биопринтинга нужна модель органа, клеточный материал пациента и среда, где орган сохранится до имплантации. 

Напечатанные органы лучше протезов и трансплантированных частей тела. Их возможности идентичны родным и они не отторгаются иммунной системой, если созданы из ДНК пациента. Биопринтинг сократит время на получение нужного органа и сохранит жизнь больным, которым нужна незамедлительная пересадка.

Печать органов на 3Д принтере уже успешно опробована на животных. Ученые Северо-Западного Университета внедрили стерилизованным мышам искусственные яичники и они родили здоровых мышат. В китайской компании Sichuan Revotek макакам-резусам имплантировали кровеносные сосуды, выращенные из материала этих же макак.

Из человеческих частей тела, пока печатаются только внутренние ткани и кожа. Создаются уменьшенные, но работающие копии ушей и носов. Первая печать органов человека ожидается к 2030-му году.

Как работает биопринтинг

Исследовательские группы или компании развивают разные концепции биопечати:

• Каркасная. Наращивание живых клеток на неорганическую основу, исчезающую с развитием естестественных связей между клетками. Главная сложность — подобрать материал, который настолько же эластичный или жёсткий, как заменяемый орган. Он должен быстро деградировать, чтобы не мешать укреплению межклеточного матрикса и раствориться, не оставив токсичных соединений. Для каркасной печати подходит гидрогель, титан, желатин, синтетические и биополимеры.
   
• Бескаркасная. Нанесение готовыми клетками на гидрогелевую основу. Пока клетки в принтере, они охлаждены и находятся в тонких гидрогелевых сфероидах. При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас — клеточный матрикс. Эта печать менее распространена, чем каркасная — появилась позже и сложнее воспроизводима.
   
• Мимикрия. Технология будущего, предполагает создание полных копий органов сразу. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне и проводятся глубокие исследования природы клеток.

Способы 3D печати органов

Струйные. Первые устройства для биопечати были струйными, этим методом печатают и обычные принтеры. Они хранят биологический материал в картриджах, который распыляется на гидрогелевую подложку, как краска на бумагу. Недостатки — неточный выброс капель и закупорка распыляющего сопла с возможной гибелью клеточного материала. Струйная печать органов на принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются. Область применения ограничивается восстановлением костной, хрящевой ткани, мышц и кожи. Достоинства — дешевизна и массовая воспроизводимость.

Микроэкструзионные. Этот способ применяется в неорганической 3D-печати. Для печати используется пневматическая подача материала в подвижную головку-экструдер, которая укладывает клетки. Чем больше головок, тем точнее и быстрее работает принтер. Недостатки — чем плотнее укладываются клетки, тем меньше их выживает. При сопоставимой плотности укладки, от микроэкструзионной печати погибает больше клеток, чем при струйной печати. Достоинства — подходит для 3D печати органов высокой плотности, тонкая настройка подачи материала за счет регулирования давления.

Лазерные. Распространены в промышленности, но применяются в биопечати. Используют лазер для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки. Между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, которая снижает мощность луча. Недостатки — повышенное содержание металла в клетках от испарения отражающего элемента. Цена. Достоинства — контролируемая вплоть до отдельных клеток, укладка биоматериала.

Кто предлагает 3D печать органов

Биопринтинговые компании, которые предлагают 3D-печать органов или продают биопринтеры:

• Organovo — Сан Диего, США. Печатает и продаёт ткань печени «exVive3D» фармацевтическим компаниям. В 2009, Organovo совместно с австрийской Invetech выпустили первый серийный принтер для биопечати — Novogen.
• BioBots — стартап, презентовавший дешевый коммерческий биопринтер на TechCrunch 2013. Сегодня для покупки доступна модель Biobot 1, Biobot 2 пока в разработке, но уже представлен на сайте компании.
• 3D Bioprinting Solutions — Россия, Москва. Сосредоточена на бескаркасной печати, разработала свой 3D-принтер FABION и работает над собственной технологией органопринтинга
• Cyfuse Biomedical — Токио, Япония. Разработали биопринтер Regenovo, который применялся для печати кожи и успешно выращивал 2-мм сосуды.

Сколько стоит 3D-биопринтер

Средняя цена биопринтера — четверть миллиона долларов, но доступны и бюджетные модели ценой до $10 000. Большинство принтеров, доступных для покупки — экструзионного типа и работают с каркасной печатью.

• 3D Bioplotter — $200,000. Envision TEC, Германия.
• Novogen MMX — $250,00. Organovo, США.

• Biobot 1 — $10 000. Biobots, США.
• 3DDiscovery — $200,000. RegenHU & Biofactory, Швейцария.
• BioAssemblyBot — $160 000. Advanced Solutions, Нидерланды.

Поддержка больного аппаратами жизнеобеспечения стоит около $75 тыс. в год. За 10 лет, больной потратит $1 млн. Принтер стоит $200, 000 и примерно столько же — операция. Учитывая, сколько стоит печать органов, операция с применением 3D биопринтинга удешевляется на 50%.

Перспективы биопечати

3D биопечать прошла путь от концепции до работающей и коммерчески успешной технологии. Пока основные клиенты биопринтинговых компаний — крупные фармацевтические корпорации. Они ускоряют тестирование лекарств, сразу испытывая их на распечатанных тканях человека.

Дорогие биопринтеры не появятся в городских клиниках через 5 лет, но некоторые пациенты уже выздоравливают благодаря 3D печати. Челюсть 83-летней женщины из Бельгии поразил остеомиелит. Восстановление стоило дороже и продлилось бы дольше, чем удаление больной челюсти и имплантация распечатанной новой. Команда врачей под руководством профессора Жюля Пукана выполнила операцию и женщина могла говорить сразу после операции. Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.

Медицина далекого будущего минимизирует механическое вмешательство в организм. Скальпель останется в прошлом — рой нанороботов будет печатать органы сразу внутри организма. На 2018, намечена полноценная печать человеческого органа на принтере — почки. Затем распечатают бронхи, артерии и сердце. Но даже до клинических испытаний на людях около 10 лет, а массовая 3D печать органов человека и частей тела наступит ещё позже.

Кроме врачей, биопринтинг привлекателен для косметологов и пластических хирургов. Желание оставаться молодым и красивым, а не лечение редких и сложных болезней, сделает 3Д печать органов человека массовой. Возможно, люди будущего будут менять органы и внешность так же просто, как смартфоны.