Минимально инвазивно: как напечатать орган изнутри

Концепция биопечати in situ возникла в попытке обойти ограничения, с которыми трансплантологи сталкиваются при пересадке кожи, и была опубликована в 2019 г. Скорость —фактор, напрямую влияющий на прогноз восстановления или даже выживаемость пациента (например, в случае с обширными ожогами). Но не всегда есть донорская кожа, чтобы пересадить её оперативно, и не всегда эта донорская кожа успешно приживается. Кроме того, бывают хронические раны — при диабете, венозные или пролежневые язвы и т. д. Они возникают снова и снова, и каждый такой раз требуют повторного лечения.

Этот метод предполагает печать сразу на поверхности повреждённого участка кожи. Технология позволяет определить топографию раны и печатать клетки кожи в определённом периметре и в соответствии морфологии раны максимально точно. Ещё одна интересная особенность: после печати на 3D-принтере полученный орган, как правило, помещают в биореактор — для созревания и поддержания. В случае печати кожи непосредственно на пациенте биореактором выступает его же организм. Что, кстати, является дополнительным экономическим преимуществом метода.

Когда учёные только разрабатывали технологическую концепцию, они предполагали, что такое устройство должно быть компактным и мобильным, достаточно простым в эксплуатации и легко стерилизуемым — это всё важные критерии для его использования в том числе и вне лаборатории, допустим, в полевых условиях, для помощи военным или гражданским при ДТП и других чрезвычайных ситуациях. Основные составляющие устройства — сопла, системы дозирования, ручной сканер, печатающая головка.

Прототип принтера для печати кожи. Источник изображения: Nature

Сегодня печать прямо в ране пациенте — уже существующая и даже отработанная в рамках клинических испытаний на человеческом организме технология. В конце 2023 года специалисты из Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС и госпиталя им. Н. Н. Бурденко провели первую в мире операцию по наращиванию пациенту в области плеча и лопатки «кожи», состоявшей из биочернил, в которые добавили клетки его костного мозга. Технически операцию проводил робот, но его работу курировали инженеры и врачи.

Источник изображения: пресс-служба МИСИС

Технологию ранее разработали учёные НИТУ МИСИС и компания 3Д Биопринтинг Солюшенс. Они дополнили готовую роботизированную руку бренда KUKA (Германия) печатающей головкой и программным обеспечением, которое позволяет печатать на неровных, влажных и движущихся поверхностях с высокой точностью. Учёные провели успешные испытания на крысах и карликовых домашних свиньях и в начале 2023 года представили свою разработку.

Схема биопечати in situ. Источник изображения: International Journal of Bioprinting

Хорошо, с выращиванием органа на пациенте разобрались, а что насчёт выращивания органа в пациенте? Это тоже потенциально возможно, но есть нюансы. Например, одна из ключевых сложностей такой печати — меньший выбор подходящих биочернил. В лабораторных условиях у медиков есть возможность контролировать реологические свойства биочернил (т. е. их способность менять свою форму под каким-либо физическим воздействием). Но при формировании органа сразу в пациенте эта опция недоступна, и есть риск, что термочувствительные биочернила пострадают при контакте с раной пациента, температура которой 37 °C.

В 2020 году итальянские исследователи рассматривали печать объёмных структур внутри пациента с помощью полимеризации при инфракрасном излучении (испытания они проводили на мышах). Но ИК-волны не способны проникать в глубокие ткани. А ультразвук — может. О методе, основанном на использовании звука*, в декабре 2023 года заявили учёные из Гарвардского университета. Эта технология позволила запускать полимеризацию через ткани на глубине в 1 см. Подопытным животным инъекционно вводились биочернила, которые под воздействием ультразвука соединялись и затвердевали в нужной форме. Следующий in sute-прорыв случился уже в 2025 — на этот раз учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) доработали способ, который ранее использовался для доставки лекарств. Этот метод тоже предполагает ультразвуковое воздействие, но печатать органы можно уже на глубине до 4 см. Для запуска процесса полимеризации достаточно локального повышения температуры примерно на 5 градусов.

Напечатанные с помощью новой технологии объемные структуры. Источник изображения: Caltech

Пока технология опробована на животных, но исследователи надеются в будущем начать печатать органы не просто внутри человеческого тела, но и внутри пульсирующего органа, в частности, бьющегося сердца. Возможно, в этом команде поможет интеграция технологии с машинным обучением. Правда, эксперты полагают, что до относительно повсеместной эксплуатации метода in situ всё же пройдёт не менее пары десятков лет.