Продление жизни с помощью 3D-биопринтинга

3D-биопринтинг – это воссоздание частей живого организма путём трёхмерной печати. Хотя на первый взгляд данная технология выглядит более чем фантастической, она реальна и даже имеет ряд успешных примеров. Не удивительно, что футурологи пророчат этому направлению медицины не только большое будущее, но вполне серьёзно рассматривают его как способ радикального продления жизни.

Исторический экскурс

Первым идею о возможности сращивания клеток вне организма выдвинул немецкий профессор анатомии Г. Борн. В один из вечеров он препарировал головастика, как его кто-то отвлёк. К своим научным изысканиям профессор вернулся лишь на следующий день. Каким же было его удивление, когда он увидел, что рассечённые фрагменты земноводного срослись!

Следующим, кто обнаружил уникальную способность по сращиванию, был американский морской биолог Петер фон Вильсон. В 1907 году он препарировал морских губок и отметил, что их части после рассечения срастаются.

Какими бы далёкими от цифровых технологий ни казались указанные опыты, на самом деле именно они подтолкнули биоинженеров к текущим разработкам по воссозданию человеческих органов. Но сначала был ещё один уникальный эксперимент.

В 2000 году биоинженер Томас Боланд, перенастроив обычные струйные 2D-принтеры Lexmark и HP, попробовал с их помощью воспроизвести структуру ДНК. Вместо чернил он заправил человеческие клетки, задал программу на компьютере и… у него на выходе получились заданные фрагменты. Всё дело в том, что размер человеческих клеток оказался сопоставим с размерами капли обычных чернил – то есть 10 микрон. При этом выживаемость основы в биочернилах была на высоком уровне – порядка 90%! Скажем сразу, что в нынешних суперсовременных 3D-биопринтерах выживаемость основы на уровне 95%, и это также считается высоким результатом.

Итак, более 100 лет назад возникла идея, 20 лет назад были осуществлены первые попытки её реализации, дело за малым – за разработкой соответствующих устройств и непосредственно биочернил.

3D-биопринтеры

Первый серийный 3D-биопринтер появился в 2009 году. Его разработала американская компания Organovo при поддержке австралийского партнёра Invetech. Но ещё в 2006 году на обычном 3D-принтере группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine воссоздала для 7 пациентов из подопытной группы мочевые пузыри для пересадки. Как утверждают сами технологи, как минимум одна из трансплантаций оказалась успешной.

Технология 3D-биопринтинга

Как работает 3D-биопринтинг? Для начала отметим существование главного отличия 3D-биопринтера от обычного 3D-принтера. Оно состоит в подаче нескольких различных по составу субстанций в одну точку печатания. Обычно используются:

1. Выращенные клетки реципиента, взятые непосредственно из больного органа. В этом случае приживаемость конечного органа максимальна.

2. Органический или синтетический «клей», выполняющий роль каркаса для воссоздания формы будущего органа.

3. Стволовые клетки реципиента, способные к превращению в остальные клетки организма.

На первом этапе создаётся цифровая модель будущего органа, со всеми особенностями отдельно взятого организма. В случае упомянутой выше печати мочевого пузыря использовались данные МРТ. Таким образом распечатка полностью впишется в то самое пространство в организме, что ранее занимал больной орган.

Далее с помощью одного из методов биопечати (а их несколько, и на каждый имеется свой патент!) воспроизводится точечная трёхмерная модель органа. На этом этапе орган представляет собой совокупность тканевых сфероидов, т. е. лишь заготовку.

Теперь необходимо какое-то время для загущения синтетического (или органического) клея, формирования каркаса, слияния выращенных клеток и превращения стволовых клеток в клетки соответствующей структуры. Следует отметить, что последние также поглощают биоклей и воспроизводят на его место необходимые органу клетки.

Успешные опыты

Помимо успешной имплантации мочевого пузыря в мире уже были проведены опыты по выращиванию других человеческих органов.

2014 год – команда из Университета Суонси представила разработку по воссозданию биопротеза кости. На печать необходимого костного фрагмента уходит около 2-х часов, благодаря чему её проводят непосредственно в операционной. После имплантации в организм человека требуется 3-4 месяца для полного замещения биочернил реальной костной тканью.

2015 год – учёные из Цюриха разработали методику печати хрящей, в частности, носовых хрящей. Благодаря этой технологии пластические хирурги будут способны воссоздавать полноразмерный имплантат человеческого носа буквально за 20 минут. Через 3 месяца внедрения биополимер расщепляется клетками организма и замещается на реальные ткани так, что уже невозможно отличить родной и внедрённый органы.

Исследователи из Медицинской школы Уэйк Форест вплотную работают над технологией воссоздания человеческой кожи. Предполагается, что 3D-биопринтинг будет проводиться непосредственно на место ожога. Пока технология находится на экспериментальной стадии, но результаты промежуточных этапов волне обнадёживающие.

Биомеханики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса работают над технологией воссоздания кровеносных сосудов. Пока задача стоит спроектировать мельчайшие сосуды таким образом, чтобы они были жизнеспособны и могли развиваться в дальнейшем самостоятельно.

2016 год – российскими учёными из технопарка «Сколково» проведены опыты по воссозданию щитовидной железы. Примечательно, что работы проводились на отечественном устройстве, который в отдельных моментах имеет даже лучшие показатели нежели зарубежные аналоги. Щитовидку взяли за пример как один из простейших органов, стремясь повторить опыт 1883 года, когда именно этот орган был впервые пересажен от донора больному человеку.

2019 год – учёные Израиля напечатали экспериментальное сердце размером с вишню. Особая сложность 3D-биопринтинга внутренних органов состоит в совокупности различных типов тканей, выполняющих разные функции. В этом случае стволовым клеткам придётся указать, в каком месте от них ожидается преобразование, например, в эндотелий, а в каких – в эпителий.

Работы по воссозданию прочих внутренних органов ведутся в биоинженерных лабораториях по всему миру. Однако, из-за сложности воспроизведения, пока можно говорить об экспериментальных попытках. По грубым предположениям почку, самый востребованный в мире донорский орган, получится напечатать к 2030 году.

Мнение футурологов

Футурологи делают свои прогнозы методом экстраполяции существующих технологических ноу-хау на десятилетия вперёд. В этом смысле не удивительна их заинтересованность в развитии 3D-биопринтинга. Итак, каковы футурологов прогнозы нашего ближайшего будущего?

Развитие регенеративной медицины пошатнёт некоторые привычные устои. Людям понадобится время для принятия данных технологий. В то же время в 3D-биопринтинге нет тех моральных препон, что были присущи идее создания анацефалов – человеческих организмов без мозга.

С помощью 3D-биопринтинга начнут решать самые простейшие задачи – замену зуба, печени, щитовидки. Только освоив их перейдут к воссозданию сложных органов.

С помощью 3D-биопринтинга будут решаться вопросы омоложения и замены изношенных органов. При этом, вполне возможно, появится мода на лишний орган – третий глаз, третье ухо, вторую пару вполне функциональных рук и так далее, вплоть до хвоста или крыльев.

С возможностью воссоздания мозга 3D-биопринтинг станет одним из синонимов бессмертия. Действительно, заменяя имплантатами нефункционирующие органы человек вполне может продлить свою жизнь, а при помощи пересадки кожи – ещё и омолодиться.

Медицина перестанет лечить людей, а станет «чинить». Как в сломанном агрегате заменяется изношенный коленвал на новый, так и в человеке нефункционирующий орган будет с помощью 3D-биопринтинга заменяться на новый.

Перед человечеством возникнет проблема вечной жизни. Готовы ли люди к ней? Способны ли выдержать бремя веков? Где будет граница между человеком реальным и человеком, состоящим полностью из напечатанных имплантатов?

Реальные проблемы на пути 3D-биопринтинга

С точки зрения футурологов наше будущее всегда кажется более радужным, чем оно бывает на самом деле. С какими проблемами столкнётся человечество на пути развития 3D-биопринтинга?

Законодательство. Все опыты ныне проводятся лишь в лабораторных условиях. Это значит, что даже если почка будет воссоздана и имплантирована отдельно взятому человеку, пройдёт ещё немало времени, пока данные операции станут легальны. На сегодняшний день ни в одной стране мира нет установленных законодательных норм в отношении 3D-биопринтинга. В то же время в той же Великобритании запрещено воспроизведение какого-либо оружия на установке 3D-печати.

Биочернила. С точки зрения теории биочернила работают достаточно эффективно. Однако имеется риск, что с удешевлением производства их компонентов люди получат не совсем те донорские органы, которые ожидались. Проблемы могут начаться с обычного отторжения и до изменения прочих тканей организма самого реципиента.

Биопринтеры. В 2014 году в мире существовало всего 14 версий коммерческих биопринтеров. Ныне таковых устройств насчитывается свыше 80. Каждая компания, изготавливающая печатные устройства, считает обязанной предоставить на рынок 3D-принтер, а ещё лучше – 3D-биопринтер. И каждый из последних рассчитан на определённые биочернила.

Программное обеспечение. Ныне у биоинженеров тратится масса усилий на введение необходимых данных и настройку биопринтера. С каждым годом ПО будет усовершенствоваться, упрощая работу исследователей, объединяя информацию из медицинской отрасли с математическими вычислениями. В то же время всегда существуют опасения относительно багов в разработанных программах.

Повсеместная доступность. Если 3D-биопринтеры, чернила и ПО для них будут в повсеместном доступе, как будут контролироваться операции по пересадке таких распечатанных донорских органов? Ведь простота использования устройств уже доказана практикой. Сейчас и 10-летнему ребёнку вполне под силу воспроизвести на обычном 3D-принтере практически любую пластмассовую деталь к конструктору. А с усовершенствованным ПО и человеческие органы будет под силу напечатать.