6 захватывающих проектов по 3D-печати органов и 3D-биопечати

Когда люди умирают, это обычно происходит не потому, что их организм отключается, а потому, что отказывает один ключевой орган, без которого организм не может выжить. Пациенты с тяжелой сердечной или почечной недостаточностью нуждаются в срочной пересадке органов, чтобы выжить. Именно здесь на помощь приходят 3D-печатные органы, например, 3D-печатные сердца.

В настоящее время в США более 120 000 человек с затаенным дыханием ждут очереди на органы. Среднее время ожидания пересадки сердца в Великобритании составляет 1 085 дней, а пересадки почки в США — 3,6 года. Вы можете пожертвовать почку, но не можете пожертвовать сердце, которое обычно берут у пациентов с мертвым мозгом.

Вы не гарантированно переживете время ожидания, поэтому возможность 3D-биопечати органов была бы бесценной.

Что такое 3D-биопринтинг?

3D-биопечать использует бионосители — биосовместимые материалы и человеческие клетки — для создания живых тканей и структур органов так же, как при 3D-печати пластмассовых деталей, слой за слоем.

Биосовместимые пластмассы иногда используются в качестве строительных лесов, создавая структуры, в которые затем вставляются человеческие клетки. Затем они культивируются в полностью функциональные человеческие ткани.

Эти живые 3D-печатные ткани в настоящее время используются для изучения функций человеческих органов, а также для тестирования фармацевтических препаратов без использования людей или животных. Многие ученые считают, что мы близки к созданию полностью функционирующих, пригодных для пересадки 3D-печатных органов с помощью новых технологий 3D-биопечати.

3D-биопринтинг использует строительные леса для структурирования, поддержки и формирования тканей из клеток.

История 3D-биопринтинга и 3D-печати органов

Первый случай 3D-печати органов был получен в Институте регенеративной медицины Уэйка Форреста в 1999 году. Исследователи создали искусственный каркас для мочевого пузыря человека — и спустя 10 лет наблюдения обнаружили, что у пациента не было осложнений. Три года спустя, в 2002 году, исследователи из Wake Forrest 3D напечатали полностью функциональную почку.

Первый коммерчески доступный 3D-биопринтер был разработан в 2009 году компанией Organovo. Он впервые смог печатать живые человеческие клетки в 3D, причем без предварительного создания строительного леса. Вскоре после этого биопринтер создал биоразлагаемый кровеносный сосуд без строительного леса.

Совсем недавно, в 2019 году, израильские исследователи 3D-биопринтером напечатали миниатюрное сердце, способное сокращаться, как это делают настоящие сердца, с сетью кровеносных сосудов, способных сокращаться, как это делают наши сердца, и построенное анатомически как человеческое сердце. Это сердце размером с кроличье, вероятно, станет основой для будущих исследований по 3D-печати человеческих органов.

Дополнительные исследования также включают работу польских ученых по печати прототипов искусственных поджелудочных желез.

Итак, вот некоторые из наиболее интересных и обнадеживающих проектов в области 3D-биопечати, касающихся многих ключевых органов.

3D-печатная кожа

Кожа — самый большой орган вашего тела. Она защищает ваши внутренности, удерживает вас вместе и регулирует температуру тела. Однако, поскольку кожа не выполняет никаких сложных действий по химической сортировке или перекачке крови, она является одним из самых простых органов для воспроизведения. Теоретически, это должно сделать ее самым простым органом для 3D-биопечати.


3D-печатная кожа заменяет кожные трансплантаты

Пересадка кожи в настоящее время является наиболее эффективным методом лечения жертв ожогов, но она далека от совершенства. В них может попасть инфекция, образоваться шрам, обильное кровотечение, а время восстановления занимает много времени. Кроме того, их нужно брать с других частей тела, обычно с бедра или ягодиц, чего многие хотели бы избежать.

Вот тут-то и приходит на помощь 3D-печатная кожа. Еще в 2017 году исследователи из Мадридского университета Карлоса III в сотрудничестве с компанией BioDan создали прототип 3D-биопринтера, который может печатать полностью функциональную человеческую кожу. Поскольку 3D-печатная кожа может быть создана быстро и наложена прямо на рану, раны могут восстанавливаться значительно лучше, чем при пересадке кожи, которая занимает больше времени.

Совсем недавно исследователи из Политехнического института Ренсселаера в Нью-Йорке разработали новую форму 3D-биопечатной кожи с работающими кровеносными сосудами. По словам руководителя исследования Панкаджа Каранде, это важно, потому что существующие трансплантаты в конечном итоге «просто отпадают, они никогда не интегрируются», так как в существующих кожных трансплантатах отсутствуют функциональные сосудистые системы.

«Сейчас все, что доступно в качестве клинического продукта, больше похоже на модный пластырь», — говорит Панкадж Каранде, доцент кафедры химической и биологической инженерии и член Центра биотехнологий и междисциплинарных исследований (CBIS), который возглавил это исследование в Ренсселаере. «Он обеспечивает некоторое ускоренное заживление ран, но в конечном итоге он просто отпадает; он никогда по-настоящему не интегрируется с клетками хозяина».

Панкадж Каранде

Современные кожные трансплантаты действуют как «причудливый пластырь», — говорит Каранде. Это новое исследование может стать основой для будущих эффективных 3D-печатных методов лечения кожи, чтобы свести к минимуму долгосрочные и необратимые повреждения, полученные жертвами ожогов.

Испытания на мышах показали, что пересаженная 3D-печатная кожа начала взаимодействовать и соединяться с существующими сосудами мыши. Это очень обнадеживает, позволяя предположить, что то же самое произойдет и у людей.

Однако команда сама признает существующие ограничения. Сосудистая система кожи жертв ожогов часто разрушена, поэтому у 3D-биопринтера нет никакой системы, к которой можно было бы прикрепить и с которой он мог бы работать. В этой области еще предстоят серьезные усовершенствования.

Вместо этого команда пытается пересадить кожу для диабетических и пролежневых язв, но надеется, что в конечном итоге технология может быть адаптирована для серьезных ожоговых травм и пересадки биопечатной кожи.

Биопечатная кожа для медицинских испытаний

Такие компании, как L’Oréal, инвестируют значительные суммы в исследования и разработки, чтобы найти способы создания 3D-печатной кожи. 3D-биопечатная кожа полезна не только непосредственно для людей, но также наличие настоящей, живой кожи предлагает компаниям по уходу за кожей и другим медицинским компаниям новые способы тестирования продукции без необходимости использования живых людей или животных.

Новые продукты, такие как кремы от солнца и другие мази, могут быть разработаны быстрее и эффективнее, что поможет снизить распространенность рака кожи. Кроме того, более аутентичная искусственная кожа позволяет лучше учиться татуировщикам, прежде чем наносить свои рисунки на реальных людей, что, возможно, улучшит татуировки будущего.

 

Биопечатные и силиконовые 3D-печатные сердца

Около 3 000 человек в США ожидают пересадки сердца в любой день. Поскольку ежегодно в продажу поступает около 2 000 сердец, время ожидания может исчисляться годами.

Вопреки тому, что вы можете подумать, сердце — один из самых биологически простых органов в организме. У него всего одна функция — перекачивать кровь по организму. Это делает его одним из самых простых 3D-печатных органов для биопечати и трансплантации.

В настоящее время считается, что лучший способ создания 3D-печатного сердца — это биопечать клеточных «скаффолдов». Вместо послойной 3D-печати клеток, эти биоразлагаемые строительные леса обеспечивают структурную поддержку клеток, направляя их туда, где они должны находиться. Затем, когда клетки развиваются в зрелую, законченную 3D-печатную структуру сердца, каркас может быть разрушен и удален.

Это уже было продемонстрировано на микроуровне с помощью участка рабочей сердечной ткани. 3D-печатная сердечная ткань была успешно использована для восстановления поврежденного сердца мыши.

Однако все еще существуют барьеры и трудности. В сердце используются чрезвычайно маленькие, толщиной в один клетку, структуры — капилляры, которые крайне сложно точно отпечатать в биопечати. Они просто слишком малы.

3D-напечатанное сердце для студентов-медиков, на котором они могут тренироваться перед реальными операциями.

Прорыв в области 3D-печатных капилляров

Компания Prellis Biologics, получившая недавно инвестиции в размере 3 млн. долларов на 3D-печать капилляров, утверждает, что может создавать 3D-биопечатные капилляры толщиной в один соток, по которым могут перемещаться кислород и питательные вещества.

3D-печать органов невозможна без капилляров. Однако в 2018 году доктор Мелани Матеу, основатель и генеральный директор компании Prellis, объявила о разработках, позволяющих печатать со скоростью и разрешением, необходимыми для формирования жизнеспособных капилляров. Скорость, а не только точность, является ключевым фактором, поскольку клетки не могут долго выживать без кровоснабжения — менее 30 минут.

Диаметр капилляров составляет примерно 5-10 микрон, но компания Prellis утверждает, что способна создавать 3D-биопечатные структуры диаметром до 0,5 микрон, и печатать их в 1000 раз быстрее, чем существующие методы. (Ранее печать 1 см3 биопечатной ткани с использованием микрососудов занимала недели). Новая цель Преллиса — 3D-биопечать всей сосудистой системы почки в течение 12 часов.

Эти успехи не означают, что 3D-печатные органы неминуемы, поскольку технология нуждается в серьезных доработках и усовершенствованиях. Компания Prellis Biologics разрабатывает ткани для тестирования лекарств, прежде чем стремиться к созданию полностью пригодных для пересадки органов и тканей, поэтому до пересадки жизненно важных органов еще далеко.

Другие исследования направлены на искусственное имитирование работы сердца, а не на создание настоящих 3D биопечатных сердец.

3D-печатные силиконовые искусственные сердца

В июле 2017 года специалисты ETH Zurich под руководством докторанта Николаса Кохрса создали первое 3D-печатное сердце, полностью состоящее из мягкого силиконового материала. Его насосный механизм работает очень похоже на настоящее человеческое сердце и был напечатан в виде одной большой структуры. Это означает, что не нужно собирать воедино никакие детали, кроме входного и выходного насосов.

Это искусственное 3D-печатное сердце проработало около 30 минут, после чего материалы не выдержали нагрузки и сломались. Это хороший прогресс, но он показывает, насколько мы все еще далеки от реальной альтернативы пересадке настоящего человеческого сердца.


3D-напечатанное сердце из ETH Zurich — это 3D-напечатанный орган, который проработал 30-45 минут.

3D-печатные легкие

В мае 2019 года исследователи из Университета Райса, США, напечатали на 3D-принтере искусственный воздушный мешок, который сжимается и расширяется точно так же, как настоящие человеческие легкие. Эти воздушные мешки дышат, не разрываясь, и могут стать ключом к преодолению существующих проблем 3D-биопечати с созданием работающих сложных сосудистых сетей.

«Одним из самых больших препятствий на пути создания функциональных заменителей тканей была наша неспособность напечатать сложную сосудистую сеть, которая может снабжать питательными веществами густонаселенные ткани… Наши органы фактически содержат независимые сосудистые сети, такие как дыхательные пути и кровеносные сосуды в легких или желчные протоки и кровеносные сосуды в печени. Эти взаимопроникающие сети физически и биохимически запутаны, а сама архитектура тесно связана с функцией ткани». Джордан Миллер, руководитель исследования

Для создания имитирующих легкие воздушных мешочков использовались технологии биопечати SLATE (Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering), с помощью биопринтера жидкий предварительный гидрогель затвердевал под воздействием синего света, в результате чего получались дыхательные пути и кровеносные сосуды.

Коллагеновые легкие CollPlant и United Therapeutics

Среди других проектов — сотрудничество CollPlant Biotechnologies и United Therapeutics по созданию трансплантируемых 3D-печатных легких. Цель сотрудничества — объединить технологии rhCollagen (рекомбинантного человеческого коллагена) компании CollPlant с системами производства органов компании United Therapeutics.

 

В технологии CollPlant для создания коллагена используются табачные растения, которые ранее ассоциировались с повреждением легких, а не с их спасением и улучшением. Коллаген используется для создания биоинков на основе коллагена, которые применяются для 3D-печати легких.

United Therapeutics планирует использовать коллагеновые легкие в качестве скелета для вставки в них настоящих человеческих клеток. К сожалению, эти легкие никогда не пригодятся для пересадки человеку, но они могут послужить структурой для создания будущих 3D-биопечатных легких и органов.

«Мы пытаемся построить маленькие домики для клеток, в которых они будут жить».
Дерек Моррис, руководитель проекта в компании United Therapeutics.

Кроме того, в партнерстве с гигантом 3D-печати 3D Systems, используя свои УФ-лазерные принтеры, они намерены с помощью пула коллагена 3D-печатать контур легкого. Они планируют, что через несколько лет на этом контуре будут изображены все дыхательные пути, включая альвеолы и капилляры. В 2018 году они уже сделали 3D-биопринт дыхательного горла с двумя бронхами.

Компания United Therapeutics еще в 2018 году прогнозировала, что до создания искусственных органов останется 12 лет. Мы надеемся, что они достигнут своей цели в 2030 году.


Текущие совместные работы по биопечати легких между CollPlant и United Therapeutics.

3D-печатный кишечник

Наш кишечник играет ключевую роль в поглощении воды, питательных веществ и лекарств, а также в предотвращении смертельных заболеваний, поражающих наш организм.

Исследователи Корнельского университета в Нью-Йорке пытаются создать синтетические биопечатные кишечники для тестирования без использования животных и лекарственных препаратов. Используя 3D-печать PolyJet, команда создала микроскопический биореактор, вызывающий перистальтический поток в просветных клетках, которые выстилают кишечник и отвечают за сокращение мышц кишечника.

Просветы были подкреплены строительным лесом, на который были добавлены кишечные клетки, после чего их культивировали в 3D-печатном биореакторе. Последующие наблюдения показали, что клетки, выращенные в биореакторе, были более четкими, однородными и эффективными, поглощали больше глюкозы, чем клетки без индуцированной перистальтики.

Эти достижения могут оказаться ключевыми для пациентов с кишечной недостаточностью и помогут избежать проблем, ведущих к трансплантации и связанных с отторжением.

Печень, напечатанная в 3D/ 3D-печатные ткани печени Organovo.

Компания Organovo имеет богатую историю в области 3D-печати тканей печени. Компания была основана в 2007 году, лицензировав технологию 3D-биопечати из Университета Миссури, разработанную Габором Форгачем.

Ткани почек и легких ExVive от Organovo являются прорывом, поскольку они могут быть созданы с помощью 3D-биопечати как ткани, так и отдельные капиллярные сети клеток крови, которые имитируют реальные системы организма. Компании Merck и Astella опубликовали данные, подтверждающие, что ткани Organovo работают лучше, чем традиционные методы тестирования на наркотики.

В настоящее время компания Organovo работает над клиническими испытаниями прямой трансплантации напечатанных на 3D-принтере пластырей ткани печени. Эти пластыри размером и толщиной примерно с долларовую купюру, поэтому они не могут помочь пациентам полностью восстановиться, но для пациентов, находящихся в списке на пересадку печени, они могут поддерживать их жизнь в течение дополнительных 1-2 лет, спасая им жизнь.

Цель компании — начать пересадку этих тканей печени пациентам в 2020 году. Компания Organovo утверждает, что рынок терапевтической трансплантации печени только в США стоит более $3 млрд.

Пример недавней 3D-печатной модели печени.

Прорыв в области биопечати печени в Калифорнии

В 2016 году доктор Шаочен Чен из Калифорнийского университета в Сан-Диего объявил о разработке 3D-печатных тканей печени, которые имитируют структуру и функции настоящей человеческой печени. Стволовые клетки были взяты из кожи пациента и объединены с двумя другими типами клеток, после чего превратились в клетки печени. Стволовые клетки особенны тем, что они могут превращаться в другие типы клеток и делиться, чтобы производить больше таких клеток. Это делает их чрезвычайно ценными для исследований и лечения.

Затем 3D-печатные биоинъекции печени были помещены в квадраты размером 3 x 3 мм. Квадраты культивировали in vitro в течение 3 недель, пока они превращались в ткани. После тестирования было установлено, что 3D-печатная ткань печени успешно поддерживает ключевые функции печени в течение более длительного времени, чем существующие модели печени.

Сан-Паулу, Бразилия, миниатюрные 3D-печатные печени

Совсем недавно, в конце 2019 года, исследователи из Сан-Паулу, Бразилия, напечатали миниатюрные печени из кровеносных сосудов человека. Несмотря на свой миниатюрный рост, эти 3D-печатные печени могут выполнять все ежедневные задачи печени, от производства жизненно важных белков, хранения ключевых витаминов и выделения желчи для поглощения жиров.

3D-биопринтер Inkredible компании Cellink изготовил печень за 90 дней. Он включал в себя забор крови пациента для получения стволовых клеток, перепрограммирование этих стволовых клеток в клетки печени, интеграцию их в 3D биочернила, а затем биопечать для создания печени. Затем биопечатные клеточные структуры культивировались в течение 18 дней.

Хотя эти разработки и не достаточно масштабны, они продвигают 3D-биопечать к завершению стадии младенчества, создавая основу для будущих достижений, меняющих жизнь.


Исследовательская группа занимается 3D-биопечатью миниатюрных печеней.

3D-печатные мозги

Как самый сложный и неизведанный орган тела, наименьший прогресс в области 3D-печати органов был достигнут в мозге.

Лишь совсем недавно ученые впервые напечатали на 3D-биопринтере такие мягкие ткани, как ткань мозга. 3D-печать таких мягких материалов чрезвычайно сложна, поскольку при послойном наращивании предыдущие слои просто разрушаются под давлением.

Тем не менее, успехи были достигнуты. Чжэнчу Тан, исследователь из Имперского колледжа Лондона, протестировал биопечать чрезвычайно мягкого гидрогеля путем криогенной заморозки ранее напечатанных слоев. После заморозки эти слои становились более устойчивыми, что позволяло печатать на них новые слои. Затем замораживание повторяется до тех пор, пока гидрогелевая ткань не будет готова.

После завершения работы ткань медленно размораживают, чтобы она сохранила свою форму и вид, работая как единая ткань.

После того, как удалось создать первые мягкие гидрогелевые ткани, в разработке находятся более сложные объекты, которым будет гораздо сложнее сохранять свою структуру и охлаждаться равномерно по всей части.

3D-печатные органы: Заключение

В целом, мы становимся все более искусными в 3D-печати тканей. С более простыми органами, такими как кожа, уже достигнуты значительные успехи. Однако в таких 3D-печатных органах, как сердце, печень и почки, микроскопический размер капилляров означает, что до создания органов, пригодных для пересадки, еще десятилетия.

Возможно, мы приблизимся к обществу, для которого 3D-печать новых органов станет обычным делом, что значительно увеличит продолжительность нашей жизни. Научные прорывы происходят постоянно, и по мере совершенствования и повышения точности 3D-печати, возможно, мы сможем решить проблему нехватки органов с помощью 3D-печатных органов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
3D Industry
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: