Рыцари печатного образа
Как производители биопринтеров учатся печатать настоящие человеческие органы
Русфонду нередко приходится собирать средства на лекарства, необходимые при трансплантации: чужой орган вызывает реакцию отторжения, с которой надо бороться. Именно эту проблему должны со временем раз и навсегда решить биопринтеры – орган, напечатанный из собственных клеток пациента, будет восприниматься его организмом как родной. Но это в будущем. Трехмерная печать живыми человеческими клетками еще ни разу не была применена в клинической практике, говорит Юсеф Хесуани. Трахеи и бронхи, которые начали печатать уже довольно давно, созданы из искусственных полимеров. Со временем они обрастают живыми клетками, но трехмерная биопечать тут уже ни при чем. Пока что «живые» части человеческого тела печатают только для экспериментов. Их уже используют при разработке лекарств на доклинической стадии – это одно из главных направлений. На распечатанной на принтере коже производители косметики проверяют, насколько их новинки могут оказаться полезны, а производители бытовой химии – насколько вредны. Проблем у биопечати множество. Живые клетки надо размножить в достаточном количестве; для каждого органа нужно много клеток разного вида; принтер не должен их повредить; после печати они должны срастись; и т. д., и т. п. И все же с печатью органов для животных дело уже серьезно продвинулось. 3D Bioprinting Solutions, в частности, несколько лет назад изготовила щитовидную железу мыши и имплантировала ее живому грызуну. «Живыми принтерами» занимаются десятки производителей и научных институтов по всему миру, модели исчисляются сотнями, этот рынок только рождается и пока очень мало исследован. Но интересно, что биопринтеры во многом похожи на обычные: они бывают струйные, лазерные, экструзионные, а также комбинированные. Вот несколько примеров.
1. Струйный биопринтер
Производитель: HP Inc
Страна: США
Первые в мире биопринтеры были струйными. Печать живыми клетками началась в 1988 году. Доктор Роберт Клебе из Техасского университета использовал для этого струйный принтер Hewlett-Packard. Причем Клебе утверждал, что это было «стандартное офисное оборудование». Биочернила для струйного биопринтера – смесь живых клеток, очищенного коллагена и других веществ. Капли биочернил, каждая из которых содержит несколько тысяч клеток, попадают на подложку для печати через маленькие форсунки. Для образования капель «чернила» нагревают (существуют и другие механизмы струйной биопечати). Струйные биопринтеры сравнительно дешевы, при этом позволяют, условно говоря, «цветную печать», то есть использование разных типов клеток. Это нужно, в частности, чтобы иметь (в будущем) возможность напечатать кровеносные сосуды внутри органа. Струйные биопринтеры часто используют для печати кожи.
Юсеф Хесуани: «Струйные биопринтеры – это история начала 2000-х. Сейчас их собирают в основном некоммерческие компании и научно-исследовательские институты».
2. Лазерный биопринтер
Производитель: UpNano, дочерняя компания Венского технического университета
Страна: Австрия
Лазерная биопечать появилась в 1999 году. Сначала плоская, а вскоре и трехмерная. В «лазерном биокартридже» живые клетки покрыты тончайшим слоем металла. Под действием лазерного луча металл испаряется – и образуется капля, содержащая живые клетки. Капля падает на подложку, по пути проходя через фильтр, который задерживает металл. Лазерные принтеры позволяют печатать в высоком разрешении: очень точно моделировать форму печатаемого объекта и концентрацию клеток в каждой его точке. Кроме того, лазерная печать позволяет использовать очень густые биочернила, это помогает готовому изделию лучше сохранять форму. Но это дорогая технология – много стоят и сами принтеры, и расходные материалы.
Юсеф Хесуани: «Самая известная компания, занимающаяся лазерными биопринтерами, – французская Poietis. Они специализируются на испытании лекарств, химии, косметики. Им помогает то, что уже многие страны запретили испытывать косметику на животных». Poietis давно занимается производством кожи, а несколько лет назад начала разрабатывать способ печати человеческих волос.
3. Экструзионный биопринтер
Производитель: 3D Bioprinting Solutions
Страна: Россия
При экструзионной печати биочернила выдавливаются через форсунки. Существуют пневматические и механические системы выдавливания. 3D Bioprinting Solutions – проект компании «Инвитро». Fabion печатает сфероидами – шариками, состоящими из очищенного коллагена и живых клеток. Биобумага представляет собой особый гель, который содержит питательные вещества и помогает готовому изделию сохранить форму. После печати орган должен «дозреть» – его помещают в биореактор, где шарики срастаются между собой. Экструзионная технология хорошо подходит для печати органов эндокринной системы.
Юсеф Хесуани: «Наши инженеры нашли элегантное техническое решение. Взяли софт станка с числовым программным управлением и инвертировали, „перевернули“ его. Станок срезает материал послойно. А наш принтер – послойно создает».
4. Биопринтеры с гибридной технологией
Производитель: RegenHu
Страна: Швейцария
С помощью лазерной технологии трудно напечатать так называемый скаффолд, каркас. Поэтому лазерный принтер часто объединяют с экструзионным: экструзионный принтер печатает поддерживающий слой коллагена, а лазерный впечатывает в него живые клетки. Возможны и другие сочетания технологий. Например, существует проблема: если печатается достаточно большой орган, он плохо держит форму, коллаген не успевает застыть. Чтобы поддержать орган во время застывания, используются акустические или магнитные волны, так что принтер становится экструзионно-акустическим или экструзионно-магнитным.
Юсеф Хесуани: «Чем больше размер трубчатого органа, тем больше у него тенденция завалиться, как Пизанская башня. Поэтому мы стали разрабатывать новые технологии с использованием акустических и магнитных волн, которые не дают этим объектам разрушиться, держат их».
Предсказывать, когда начнется медицинское использование напечатанных органов, не берется, разумеется, никто. Но, скорее всего, первым таким органом станет кожа, считает Хесуани. 3D Bioprinting Solutions собирается провести эксперимент в условиях операционной: роботическая рука с форсункой будет заполнять фибробластами (клетками соединительной ткани) и коллагеном кожные дефекты пациента. Пациентом станет крыса.
