Очередь на печать

Как работают биопринтеры и что можно напечатать живыми клетками

Трехмерной печатью никого не удивишь: с ее помощью создается все что угодно, от домов до деталей космических ракет. Эта технология применяется и в медицине. Уже сейчас печатают, например, протезы, идеально подходящие конкретному человеку. А еще существует биопринтинг — создание объемных конструкций из материалов, содержащих живые клетки, которые превращаются в полноценные фрагменты ткани. Вместе с Университетом МИСИС рассказываем, как работают биопринтеры, из каких материалов и что они печатают, а еще почему так сложно напечатать целый орган.

Это продолжение проекта «Приоритетное направление», посвященного новейшим технологиям в области материаловедения, биоинженерии, квантовых вычислений и коммуникаций, а также ESG и искусственного интеллекта. Проект подготовлен совместно с Университетом МИСИС.

Скан, модель, принт

Для того чтобы напечатать текст на листе бумаги, документ сначала готовят в цифровом виде — точно так же для печати трехмерного объекта нужна цифровая модель. Для создания таких моделей используют технологии визуализации, в первую очередь компьютерную томографию и магнитно-резонансную томографию, которые дают цифровые послойные карты живых тканей и органов с большой степенью детализации, вплоть до отдельных клеток. На основе снимков создаются CAD-модели, которые дополнительно детализируются с помощью контрастов, меченых клеток и чтения РНК клеток из известных областей, позволяющего уточнить их тип и способ работы.

Модель готова, но нужно чем-то печатать. В биопечати используют суспензии клеток, выращенных в лаборатории. Некоторые типы клеток выращивать легче: к ним относятся фибробласты и клетки эпителия. Другие несколько требовательнее к условиям и не так охотно делятся — это, например, разные виды мышечных клеток. Но самое перспективное направление — выращивание стволовых клеток: используя коктейли сигнальных веществ, их развитие можно направлять по разным путям.

Итак, есть модель, и есть чернила — теперь необходимо печатающее устройство. Принтеры, печатающие живыми клетками, внешне мало отличаются от устройств для обычной 3D-печати. Обычно это ящик, внутри которого двигается очень точно позиционируемая печатающая головка. К ней подается один или несколько видов «чернил». Процессом управляет электроника, поэтому можно заранее определить, какое количество суспензии, содержащей клетки, окажется в заданной точке будущего изделия.

Наиболее распространенный метод биопечати — метод . Это технология, которая использует экструзию биологических материалов для создания трехмерных объектов. Также можно выделить пьезоэлектрические и термопринтеры. У первых капля суспензии выходит из сопла под действием электрического разряда, который меняет форму и размер детали из пьезоэлектрического материала, а у вторых каплю подталкивает нагреватель.

Существуют и лазерные 3D-биопринтеры. Их принцип работы схож с принципом работы печатной машинки. У печатной машинки есть лента с красящим материалом и металлические литеры, которые прижимают ленту к бумаге. В лазерных 3D-биопринтерах тоже есть лента с нанесенным на нее биоматериалом или клеточной суспензией; с ленты на субстрат материал переносится под воздействием лазерного излучения. Такие принтеры имеют свои преимущества: во-первых, у них нет сопел, которые нужно чистить, а во-вторых, они работают бесконтактно, поэтому чернила не соприкасаются с поверхностью раньше, чем необходимо.

Печать со всех сторон


Послойная печать позволяет создавать сложные по геометрии и композиции конструкции, в том числе с использованием живых клеток. Но формировать их удобнее, не наращивая объект снизу вверх, а работая сразу со всех сторон. Уникальную возможность для этого предоставляет МКС: там, в условиях микрогравитации, можно печатать что угодно и сразу во всех направлениях.

Биопринтер для такой всесторонней печати уже создан, его разработала российская компания «3Д Биопринтинг Солюшенс» (подробнее об устройстве читайте в материале «Космическая органавтика»). Магнитный биопринтер доставили на МКС в 2018 году, а первые итоги экспериментов по печати клеточных конструктов исследователи подвели еще спустя два года.

Сейчас ученые из центра биомедицинской инженерии и научная группа «Сплавы с памятью формы» из МИСИС совместно с «3Д Биопринтинг Солюшенс» инструктируют космонавтов для проведения эксперимента по формированию биоинженерных конструкций из комбинации синтетических материалов и биологических компонентов с использованием магнитного биопринтера «Орган.Авт». Космонавтам предстоит провести эксперименты с синтетической пластиной, покрытой клеточным материалом и обладающей эффектом памяти формы. При определенном воздействии она будет сворачиваться в трубку. В дальнейшем эту технологию можно будет использовать для создания биоинженерных кровеносных сосудов.

Мочевые пузыри, суставы и сосуды

Историю 3D-печати обычно отсчитывают с середины 1980-х годов. Тогда в разных странах было зарегистрировано несколько патентов на технологию послойной печати объемных объектов по цифровой модели. Первой коммерческой реализацией подобной технологии стала стереолитография американского инженера Чарльза Халла. В 1988 году в качестве чернил для 3D-принтера, заправленных, кстати, в обычный струйный принтер Hewlett-Packard (HP), Роберт Клебе из Университета Техаса использовал суспензию живых клеток; он напечатал плоские слои, которые затем соединил слоем коллагена. Для более эффективного соединения слоев требовалось точно измерить адгезию разных клеток и научиться направлять ее. Лазерный биопринтер был изобретен в 1999 году.

Первая научная статья, посвященная биопечати органов, чуть позже появилась в журнале Trends in Biotechnology в 2003 году. Команда ученых во главе с биоинженером Владимиром Мироновым, который сегодня занимает должность ведущего эксперта НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС, предложила использовать 3D-печать для борьбы с дефицитом донорских органов.

Но первые успехи в конструировании целых органов из живых клеток были достигнуты без специальных печатающих устройств. Американский уролог Энтони Атала, создатель первого в мире искусственно выращенного мочевого пузыря, все делал вручную. Основание (матрикс) он сшивал в нужной форме хирургической иглой, а потом послойно наносил выращенные в лаборатории слои эпителиальных клеток. «Это было похоже на процесс изготовления торта», — вспоминал он. К 2006 году Атала и его коллеги отчитались об успешных пересадках искусственно выращенных мочевых пузырей не только мышам и собакам, но и людям. Как и в начале, в этих экспериментах обходились без принтера: клетки высаживали на матрикс вручную, с помощью автоматической пипетки.

Это было огромным успехом и первым примером успешной пересадки такого органа. Но мочевой пузырь — не самый востребованный орган для пересадок. И не самый сложный: для его создания использовали всего два типа клеток — мышечные и эпителиальные. Для того чтобы конструировать более сложные органы, закладывать в них нервы и кровеносные сосуды, нужны были более сложные приборы. Первые профессиональные биопринтеры были модификациями обычной полиграфической техники, но потом появились и специализированные приборы.

В 2009 году удалось напечатать образец эпителия кровеносного сосуда в форме трубки, причем без использования матрицы. В 2012-м компания Organovo из Сан-Диего начала публиковать первые результаты о печати небольших объемных образцов ткани печени, живущих в лаборатории до нескольких дней. Дальнейшее развитие технологий затронуло в основном органы из ткани хряща: появились имплантаты для замены утраченного или поврежденного внешнего уха, менисков и межпозвоночных дисков.

Есть успехи и в сборке более сложных тканей и органных конструктов, например щитовидной железы. В 2017 году в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» в Москве на биопринтере, разработанном под руководством Владимира Миронова, был напечатан конструкт щитовидной железы мыши. Основой для нее послужили сфероиды — плотные компактные группы — клеток щитовидной железы (тироцитов) и клеток плаценты. Последние под действием веществ, которые выделяют тироциты, превратились в клетки эпителия; конструкт покрылся сетью капилляров так же, как это происходит при развитии щитовидной железы у эмбриона. Готовый конструкт был пересажен мыши, страдающей недостаточной функцией щитовидной железы. В статье, опубликованной в журнале Biofabrication, ученые описали восстановление у подопытного животного нормального уровня гормона тироксина и терморегуляции.
В конце десятилетия начало развиваться новое направление биопринтинга — печать инженерно-клеточных сердец (размерами и сложностью пока еще сильно уступающих человеческому и даже мышиному сердцу, но способных биться) и небольших фрагментов мышечной ткани (патчей) для использования в ходе операций на сердце.

По живому

С начала 2010-х годов также развивается направление печати in situ, то есть прямо в живом организме. Пионерами в этой области стали ученые из команды все того же Энтони Аталы: они предложили с помощью 3D-принтера размещать слои вспомогательных веществ и стволовых клеток двух типов прямо в свежую рану на коже подопытной мыши. Такой метод терапии обширных кожных травм имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартной пересадкой кожи — расщепленным кожным лоскутом, заимствованным у самого пациента или другого человека, а также с инженерными биопрепаратами, в том числе клеточными.

В этом году группа специалистов из НИТУ МИСИС запатентовала устройство для нанесения препарата с трехмерной структурой in situ — прямо на открытую рану. Его разработали на основе отечественного варианта форсунки для биопечати, позволяющей точно дозировать «чернила». Устройство, пока экспериментальное, позволяет одновременно послойно наносить сразу несколько препаратов.

С составом «чернил» в МИСИС пока экспериментируют: ученым предстоит понять, какие коктейли из клеточной суспензии, противовоспалительных, анальгетиков, связывающих компонентов и сшивающих агентов дадут самое быстрое заживление. Сейчас команда проводит эксперименты на мышах; впоследствии возможен выход на клиническое исследование — может быть, с устройством в другой, оптимальной конфигурации.

На пути к целому органу

Одна из главных задач, стоящих сейчас перед разработчиками технологий 3D-биопечати, — это создание целых работоспособных органов. В мире существует огромный дефицит донорских органов. Каждый год проводятся 100 тысяч операций по трансплантации, 200 пересадок тканей и клеток. Это в сотни раз меньше числа пациентов, которым нужны подобные операции. В России ежегодно пересаживают около 200 сердец, а ожидают донорского сердца около 400 человек; проводят 400 операций по пересадке печени и 1000 — по пересадке почек, но реальная потребность намного выше. Напечатанные из клеток самого пациента органы могут покрыть этот дефицит, но до создания полноценных функционирующих сердец, печени и почек науке еще далеко.

Главная проблема заключается в сложности живых органов. Взять хотя бы сердце. В первом приближении оно состоит из клеток 11 типов: кардиомиоцитов, фибробластов, клеток эпителия и нервных клеток, многих типов иммунных клеток, адипоцитов, гладкомышечных клеток сосудов, клеток мезотелия. В недавнем исследовании ученые прочитали РНК клеток разных типов и разных регионов сердечной мышцы и составили подробное описание разных субпопуляций сердечных клеток. Даже одинаковые под микроскопом кардиомиоциты в разных местах работают по-разному — производят немного разные белки в немного разных соотношениях. Эта разница очень важна для правильной работы органа, проведения электрических сигналов и координации движений.

Дополнительную проблему для биоинжиниринга представляет сложность устройства органов: все клетки должны получать из крови кислород и питательные вещества и отдавать углекислый газ и продукты жизнедеятельности, а значит, все части органа должны быть пронизаны кровеносными сосудами, а еще живая ткань должна быть правильно иннервирована и снабжена популяциями нужных иммунных клеток. Для того чтобы воссоздать такую сложную структуру, нужны очень детальные карты и виртуальные модели, которые учитывают не только расположение отдельных массивов клеток, но и тонкую разницу в их биохимии.

Пока сосуды не сконструированы, клетки все равно должны дышать и питаться. Плоские слои клеток в чашках Петри поддерживают, омывая специальной питательной смесью — обычно сывороткой из телячьей крови, содержащей все необходимые вещества. Но как это делать в целом органе в процессе печати?

Эти и многие другие сложности пока не позволяют масштабировать производство 3D-печатных органов. Возможно, с ними справятся будущие поколения биологов и инженеров.

В этом году в МИСИС открылась новая программа подготовки специалистов — конструкторов биомедицинских 3D-принтеров. Магистерская программа «Биомедицинская инженерия и биофабрикация» будет готовить новых инженеров для работы над биопринтерами нового поколения: оборудование для комбинированно-гибридной печати гелями с клетками и супертермопластами — полимерами с очень высокой температурой плавления, подходящими для печати костей; in situ биопринтер, основанный на роботической системе, для печати кожи непосредственно на открытой ране и магнитно-акустический биопринтер для печати органов с использованием новой технологии левитационной магнитно-акустической биофабрикации.

Реклама: НИТУ МИСИС, ИНН 7706019535, Kra23WFdk

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
На клеточном уровне

Познакомьтесь с компонентами клетки за умной беседой