В настоящее время сотни тысяч людей находятся в очереди на трансплантацию
таких важных органов, как почки, сердце и печень,
которые могли бы спасти немало человеческих жизней.
К сожалению, помочь всем нуждающимся
не представляется возможным — донорских органов постоянно не хватает.
А что, если вместо того, чтобы ждать,
мы создали бы абсолютно новые, индивидуальные органы «с нуля»?
Эта идея легла в основу технологии биопринтинга —
активно развивающегося направления регенеративной медицины.
И пусть мы пока не готовы начать воспроизводить сложные органы,
мы научились печатать простые ткани,
например, кровеносные сосуды и канальцы,
отвечающие за обмен веществ и продуктов жизнедеятельности.
Биопринтинг является «биологическим» родственником 3D-печати —
технологии получения трёхмерных объектов
методом послойного наращивания материалов.
Но вместо привычных металлов, пластмассы или керамики
3D-биопринтер органов и тканей использует «биочернила» —
биоматериалы, в состав которых входят живые клетки.
Основу большинства биочернил составляют богатые водой молекулы — гидрогели.
Они смешиваются с миллионами живых клеток,
а также с различными химическими веществами,
способствующими взаимодействию и росту клеток.
В некоторых биочернилах содержатся клетки только одного типа,
в других — сочетание нескольких типов, что позволяет получать более сложный материал.
Предположим, вы хотите распечатать мениск —
хрящевую прокладку в коленном суставе,
предотвращающую трение большеберцовой и бедренной костей.
Мениск состоит из хрящевых клеток хондроцитов,
и чтобы изготовить биочернила, таких клеток потребуется немало.
Данные клетки можно получить от доноров и затем размножить в лаборатории.
Или их можно взять из собственной ткани пациента
и тем самым свести к минимуму вероятность отторжения изготовленного мениска.
Существует несколько методов 3D-печати,
наиболее популярный из них — микроэкструзионная печать.
При этом методе биочернила загружают в ёмкость принтера,
а затем пропускают через круглое сопло экструдера, или печатающей головки.
На выходе из сопла экструдера,
диаметр которого составляет не более 400 микрон,
получается непрерывная нить — филамент —
толщиной с человеческий ноготь.
Компьютерное изображение или файл определяют порядок нанесения нитей
на плоскую поверхность или в жидкую среду,
где напечатанный материал будет оставаться, пока не стабилизируется.
Такой принтер работает довольно быстро и, нанося слой за слоем,
печатает мениск примерно за полчаса.
После печати некоторые биочернила застывают почти мгновенно,
а другим для стабилизации необходимы
ультрафиолет, дополнительные химические реакции или физическое воздействие.
Если процесс печати пройдёт успешно,
клетки синтезированной ткани
начнут вести себя точно так же, как и клетки биологической ткани:
взаимодействовать, обмениваться питательными веществами и размножаться.
Мы уже научились печатать
такие относительно простые клеточные структуры, как мениск;
у нас есть успешный опыт имплантации биопечатного мочевого пузыря;
а в результате пересадки искусственных тканей
у крыс наблюдалась регенерация лицевых нервов.
Учёным также удалось напечатать ткани лёгких, кожи, хрящей,
и малоразмерные и полуфункциональные модели почек, печени и сердца.
Однако воссоздание сложной биохимической среды
главных органов человека является колоссально трудной задачей.
В процессе микроэкструзионной печати
может погибнуть огромное количество клеток биочернил,
если отверстие сопла будет слишком мало́ или давление печати слишком велико.
Одной из самых трудновыполнимых задач, стоящих перед учёными, является
обеспечение клеток полноразмерного органа кислородом и питательными веществами.
Поэтому наибольшие успехи на сегодняшний день были достигнуты
в биопечати плоских и полых клеточных структур,
и именно поэтому неимоверные усилия направляются на то,
чтобы научиться встраивать кровеносные сосуды в биопечатные ткани.
Биопринтинг обладает огромным потенциалом спасать жизни,
а также способствует лучшему пониманию того,
как же на самом деле работают наши внутренние органы.
Бесконечный ряд возможностей открывает и сама технология,
включая биопечать тканей со встроенной электроникой.
Сумеем ли мы когда-нибудь превзойти возможности нашего организма
или подарить ему новые свойства, наподобие несгораемой кожи?
Сможет ли трансплантация биопечатных органов продлить жизнь человека?
И кому именно будет дано право воспользоваться этой технологией
и её невероятными результатами?