3D-печать органов: чему уже научились и как скоро освоим в совершенстве

Идея попробовать сформировать живые клетки в какой-то объект с помощью техники возникла в 1988 году у молекулярного биолога Роберта Клебе. Реализовал он её на обычном струйном принтере, но вместо чернил использовал суспензию живых клеток, которые напечатал тонкими слоями и после скрепил их коллагеном. В 1999 году появился лазерный биопринтер, предполагающий двухмерную печать. И хоть самый первый искусственный мочевой пузырь уролог Энтони Атала собрал вручную, такой подход исключал работу с более сложными органами, при выращивании которых требуется несколько видов клеток, формирование нервов и сосудов. Эту задачу рассмотрел биоинженер Владимир Миронов со своей командой, предложив в 2003 году использовать для формирования органов уже трёхмерную печать.

Как работает технология: сначала создаётся трёхмерная компьютерная модель, детально отражающая размеры органа, его форму, все характерные для него виды клеток, необходимые для его работы сосуды и т. д. В качестве сырья для печати используются клетки, помещённые в биоматериал, — гидрогель или синтетический полимер, обеспечивающий питательную для них среду. Биопринтер слой за слоем формирует орган и при необходимости меняет биоматериал — согласно заданным параметрам модели. Далее получившийся орган помещается в биореактор, который обеспечивает оптимальную для его дозревания и сохранности среду.

За последние десятилетия учёные воспроизвели образцы эпителия кровеносного сосуда, ткани печени, хрящевые ткани, подходящие для реконструкции ушей. Даже слетали в космос, чтобы напечатать там трубчатые органы, важные для воссоздания кровеносных сосудов. Правда, пока это всё фрагменты, используемые в качестве запчастей или заплаток, и до объёмной печати полноценного органа человечеству всё ещё далеко. Но и в этом качестве технология может быть весьма продуктивна: в 2023 году университет МИСИС анонсировал разработку «тканевого пистолета», сшивающего раны биополимерами. А в 2024 году врачи госпиталя им. академика Н. Н. Бурденко совместно со специалистами МИСИС провели первую в России операцию, нарастив лоскут кожи прямо на пациенте. Кроме того, исследователям уже удалось добиться от таких тканей передачу нервных импульсов и роста волосяных фолликул.

Напечатанные на 3D-принтере органы также интересны врачам как плацдарм для тренировок. Например, хирурги, которые оперируют детей с недоразвитым ухом, формируют каркас для нового органа пациента из его же рёберного хряща. Учатся ординаторы обычно на куске мыла, яблоке или свином ребре. С реальным хрящом ребёнка такие материалы имеют мало общего. В 2015 году биоинженер из Вашингтонского университета совместно с отоларингологом напечатали детский рёберный хрящ — на нём тренировки проходят уже куда реалистичнее. На фото ниже белые модели, которые хирурги сочли наиболее удобными, полученные с помощью 3D-печати, и синяя модель, изготовленная из более дорогостоящего материала для слепка зубов:

Источник фото: Вашингтонский университет

Третье перспективное направление — фармакология. Напечатанные органы позволяют компаниям тестировать новые препараты на живых тканях. Такие исследования сохраняют свою эффективность и при этом абсолютно безопасны для человека.

Основные трудности, из-за которых мы, подобно Железному Дровосеку, пока не можем заказать себе новое сердце — многофункциональность некоторых органов, их размеры и недостаточно высокая скорость работы биопринтеров. Рассмотрим на примере сердца: орган очень сложный и крупный, для его формирования требуется внушительное количество видов клеток, а процесс его печати в натуральную величину занимает слишком много времени. Больше, чем способны прожить клетки, находящиеся вне питательной среды.

Ещё один вопрос, требующий решения, в частности, в России — разработка нормативно-правовой базы. Юридическая регламентация позволит регулировать вопросы авторства, контролировать качество печатаемых продуктов и безопасность при их внедрении и использовании. Это не локальная проблема, она касается аддитивных технологий в целом.

Доподлинно неизвестно когда человечеству станут повсеместно доступны отпечатанные индивидуально под них органы. Эксперты предполагают, что претенденты на ближайшие 10–20 лет — в первую очередь простые и/или плоские органы. Они монофункциональны и состоят из небольшого количества видов клеток. Продолжит активно развиваться роботизация — когда часть органа робот будет наращивать прямо в пациенте (in situ). Прогнозы по более сложным органам, вроде того же сердца, менее оптимистичны. Это, скорее всего, станет реализуемо только во второй половине 21 века.