3D-печать органов человека (4 фото)

Существование 3D-принтеров уже давно перестало быть новостью.

Их развитие приводит к тому, что современные модели умеют печатать различные пластиковые изделия, еду, шоколад, обувь и даже инструменты и материалы для работы в космосе. В настоящее время ученые задумываются о том, как направить возможности этой техники на более продуктивное использование. Одной из современных разработок в этой области является проектирование 3D-принтеров, осуществляющих печать органов человека из биологического материала. Такое изобретение стало бы революционным прорывом, ведь донорские органы на сегодняшний день являются большим дефицитом. В них нуждаются сотни тысяч больных по всему миру, вынужденные ждать в долгих очередях на трансплантацию, а счастливая возможность стать обладателем донорского органа достается лишь десяткам тысяч.

Создание функционирующих человеческих органов с помощью машин позволит обеспечить ими намного большее количество пациентов, а также снизит очередь ожидания. К сожалению, возможности науки пока ограничены, а данная технология находится лишь на ранних стадиях развития. Более того, она слишком сложна, чтобы требовать ее оперативной разработки и внедрения.

Более подробно о том, что представляет из себя 3D-технология печати органов, каково ее значение и влияние на развитие современной медицины, повествует портал Engadget.

3D-печать органов – что это?

Идея выращивать человеческие органы в лабораторных условиях посещала умы ученых уже много лет назад, однако никаких существенных продвижений в этом русле не отмечалось вплоть до конца 90-х годов прошлого века, пока не была придумана биопечать. Идея ее создания, как повествует Engadget, принадлежит ученым из Института регенеративной медицины Уэйк Форест, которые начали создавать с помощью 3D-принтера синтетические строительные блоки для выращивания человеческих мочевых пузырей. На самом деле мочевые пузыри они не печатали, а первая печать этого органа появилась лишь в начале 2000-х годов. В это время биоинженер из Университета Клемсона Томас Боланд стал модернизировать обычные чернильные принтеры для придания им возможности печатать трехмерные объекты из биологического материала.

К 2010 году стала известной компания Organovo, которая одна из первых запустила процесс биопечати. В настоящее время компания занимается печатью образцов человеческой печени. Однако эти органы еще не полнофункциональны, их нельзя, к примеру, использовать для трансплантации. Но они нашли себе применение в фармакологии для проверки воздействия на печень различных лекарств. Следующей целью компании является создание полнофункциональной печени. Несмотря на огромную работу, проделанную в исследовании биопечати, Organovo пока не готова к выпуску подобных образцов.

Печать функционирующих органов по сложности намного превышает печать пластиковых предметов. Несмотря на это, эти процессы имеют очень много общих черт. В том и другом случае применяются картриджи и печатные головки, которые выстреливают чернила или биологический материал и накладывают их слой за слоем на специальной платформе. Но следует иметь в виду и ключевые различия этих процессов:

Внешний вид большинства органов знаком любому человеку, изучившему школьную программу. Но печатать их большими партиями по стандартному образцу недопустимо. Перед печатью пациент должен пройти процедуры КТ – сканирования и МРТ. Полученные результаты проходят сложную компьютерную обработку, и только после этого создается макет, используемый машиной для определения, куда и как необходимо наносить клетки.

Вместо традиционных для принтеров чернил, биопринтеры используют человеческие клетки того органа, который необходимо синтезировать, или стволовые клетки. Для получения цельной структуры из отдельных клеток в картридже находится специальное скрепляющее вещество. Кроме этого, для печати такие принтеры могут использовать биоинженерные материалы, которые не отторгаются человеческим организмом. Таким материалом, например, является полимер альгинат, используемый в производстве клапанов аорты. В 2012 году на биопринтере была произведена и успешно имплантирована челюсть из титана. Ее обладательницей стала 83-летняя женщина. В 2013 году в США была проведена операция по трансплантации черепа, напечатанного на 3D-принтере.

Сразу после печати искусственный орган помещают в специализированные инкубационные условия. Это необходимо для того, чтобы клетки начали делиться и синхронизировались в совместной работе, как в настоящих человеческих органах.

Как раз этот пункт процедуры и является камнем преткновения, мешающим повсеместному распространению биопринтеров в больницах для производства искусственных органов.

Руководитель группы ученых из Уэйк Форест, производящей мочевые пузыри, Энтони Атала назвал несколько ключевых проблем создания искусственных органов с помощью 3D-печати. Первая проблема заключается в дефиците материала, из которого можно было бы производить человеческие органы. Помимо этого, невероятно сложно заставить клетки правильно расти вне тела. Органы человека устроены очень сложно, поэтому нелегко наладить работу искусственного органа, даже несмотря на то, что он состоит из тех же клеток, что и натуральный. Нельзя просто пришить человеку напечатанный орган и надеяться, что все будет в порядке. Если даже клетки искусственных органов делятся вне тела, то это еще не значит, что они будут слаженно работать. Ход Липсон, биоинженер из Корнелльского университета, дал несколько комментариев к этой проблеме:

Конечно, можно правильно расположить клетки и соединить их вместе, но где найти кнопку для их включения? В этом заключается вся магия.

Кроме этого, ученый отмечает, что до сих пор ограничены технические возможности: еще нет настолько мощного оборудования, которое позволило бы создать модели органов, максимально соответствующие реальным. А этот этап очень важен перед тем, как приступить непосредственно к печати.

Кроме того, что сложно заставить клетки включиться в слаженную работу, ученым предстоит решить еще одну сложную проблему производства кровеносных сосудов. Артерии, вены и капилляры просто необходимы всем органам для правильного функционирования, ведь с их помощью различным тканям доставляются питательные вещества в составе крови, которые позволяют сохранять жизнь и здоровье органов. Печатать кровеносные сосуды очень сложно по причине их специфической формы, длины и ширины.

Тем не менее, решению этой проблемы отводится большое внимание, а старания ученых не проходят впустую. К примеру, в июне этого года в Университете Бригама Янга были произведены шаблоны кровеносных сосудов из линейного полисахарида агарозы. Решением проблемы печати кровеносных сосудов занимаются ученые Института Фраухофера. Профессор Дженнифер Льюис из Гарвардского университета работает над нестандартным решением проблемы производства органов, в которых уже будут иметься специальные каналы для передвижения крови.

Прогнозы будущего печати органов

За продолжительную историю работы над вопросами печати человеческих органов науке удалось добиться лишь частичного успеха. Задача получения органов была решена, но большинство из них могли функционировать лишь на протяжении нескольких дней. К примеру, упоминавшаяся выше компания Organovo смогла создать печень, практически идентичную человеческой, способную выполнять все функции, возложенные на данный орган. Но и здесь не обошлось без проблемы: синтезированный орган смог функционировать лишь на протяжении 40 дней. В апреле текущего года учеными из Луисвиллского университета были напечатаны клапаны сердца и небольшие вены. Однако полноценное сердце напечатать пока не представляется возможным. Биоинженеры Корнельского университета смогли создать прекрасно функционирующее искусственное ухо из живых клеток и специального геля.

По статистике, около 90% всех пациентов, ожидающих трансплантации, необходимы новые почки. Эти данные подтолкнули китайских ученых к созданию почек в помощью 3D-технологии, однако и эти органы оставались функциональными лишь на протяжении 4-х месяцев. В настоящее время Энтони Атала работает над задачей печати искусственных почек. На медицинской и технологической конференциях демонстрировалась неработающая модель этого органа, выполненная по 3D-технологии.

Во время выступления на этой конференции хирург Атала рассказал об операции по трансплантации искусственного мочевого пузыря. Говоря о будущем медицины, он отметил, что эти исследования могут привести к созданию специальных приборов, сканирующих человека и определяющих сложность и глубину травм и способных печатать искусственные органы прямо на пациенте. Однако для того, чтобы это перестало быть далекими прогнозами и прочно закрепилось в реальности, знания о биопечати и дальнейшие исследования в этой области должны активно внедряться и закрепляться в различных медицинских научных и образовательных учреждениях.