3D-биопечать может помочь при пороках сердца у детей и не только

Натали Сабин

11 июля 2022 г. - Почти каждый сотый ребенок в Соединенных Штатах рождается с пороками сердца. Последствия могут быть разрушительными, и ребенку приходится полагаться на имплантированные устройства, которые со временем приходится менять.

"Механические решения не растут вместе с пациентом", - говорит Марк Скайлар-Скотт, доктор философии, профессор биоинженерии в Стэнфордском университете. "Это означает, что пациенту потребуется несколько операций по мере его роста".

Он и его команда работают над решением, которое могло бы обеспечить этим детям лучшее качество жизни при меньшем количестве операций. Их идея: Использование трехмерных "биопринтеров" для создания тканей, необходимых врачам для оказания помощи пациенту.

"Мечта - иметь возможность печатать ткани сердца, такие как сердечные клапаны и желудочки, которые будут живыми и смогут расти вместе с пациентом", - говорит Скайлар-Скотт, которая последние 15 лет работала над технологиями биопринтинга для создания сосудов и тканей сердца.

3D-принтер для вашего тела

Обычная 3D-печать работает так же, как струйный принтер в вашем офисе, но с одним ключевым отличием: Вместо того чтобы распылять один слой краски на бумагу, 3D-принтер выпускает слои расплавленного пластика или других материалов по одному за раз, чтобы создать что-то снизу вверх. В результате может получиться практически все, от деталей автомобиля до целого дома.

Трехмерная биопечать, или процесс использования живых клеток для создания трехмерных структур, таких как кожа, сосуды, органы или кости, звучит как нечто из научно-фантастического фильма, но на самом деле существует с 1988 года.

Если 3D-принтер может использовать пластик или бетон, то биопринтеру требуются "такие вещи, как клетки, ДНК, микроРНК и другие биологические вещества", - говорит Ибрагим Озболат, доктор философии, профессор инженерной науки и механики, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Университете штата Пенсильвания.

"Эти материалы загружаются в гидрогель, чтобы клетки могли сохранять жизнеспособность и расти", - говорит Озболат. Затем на этот "био-чернила" накладывается слой и дается время для созревания живой ткани, что может занять от 3 до 4 недель".

Какие части тела ученые смогли напечатать до сих пор? Большинство тканей, созданных с помощью биопечати, на сегодняшний день довольно малы - и почти все они все еще находятся на разных стадиях тестирования.

"Клинические испытания начались для восстановления хрящевой ткани уха, регенерации нервов и регенерации кожи", - говорит Озболат. "В ближайшие 5-10 лет мы можем ожидать большего количества клинических испытаний со сложными типами органов".

Что сдерживает развитие биопечати?

Проблема с 3D-биопечатью заключается в том, что человеческие органы очень толстые. Чтобы напечатать один миллиметр ткани, требуются сотни миллионов клеток. Это не только ресурсоемко, но и требует огромного количества времени. Биопринтеру, выталкивающему отдельные клетки за раз, потребовалось бы несколько недель, чтобы изготовить даже несколько миллиметров ткани.

Однако недавно Скайлар-Скотт и его команда совершили прорыв, который может помочь значительно сократить время производства.

Вместо того чтобы работать с отдельными клетками, команда Скайлара-Скотта успешно провела биопечать с помощью скопления стволовых клеток, называемых органоидами. Когда несколько органоидов помещают рядом друг с другом, они объединяются - подобно тому, как объединяются зерна риса. Затем эти скопления самособираются и создают сеть крошечных структур, напоминающих миниатюрные органы.

"Вместо того чтобы печатать отдельные клетки, мы можем печатать более крупные строительные блоки [органоиды]", - говорит Скайлар-Скотт. "Мы считаем, что это более быстрый способ производства тканей".

Хотя органоиды ускоряют производство, следующая проблема такого способа 3D-биопечати заключается в наличии достаточного количества материалов.

"Теперь, когда мы можем производить вещи с помощью большого количества клеток, нам нужно много клеток для тренировок", - говорит Скайлар-Скотт. Сколько клеток необходимо? Он говорит, что "типичный ученый работает с 1-2 миллионами клеток в блюде. Чтобы изготовить большой, толстый орган, нужно от 10 до 300 миллиардов клеток".

Как биопечать может изменить медицину

Одна из перспектив биопечати - создание живой сердечной ткани и целых органов для использования у детей. Это может уменьшить необходимость в пересадке органов и операциях, поскольку живые ткани будут расти и функционировать вместе с собственным организмом пациента.

Однако необходимо решить множество проблем, прежде чем ключевые ткани организма будут напечатаны и станут жизнеспособными.

"Сейчас мы думаем о малом, а не о печати целого сердца", - говорит Скайлар-Скотт. Вместо этого они сосредоточены на более мелких структурах, таких как клапаны и желудочки. И эти структуры, по словам Скайлар-Скотта, будут созданы по крайней мере через 5-10 лет.

Между тем, Озболат представляет себе мир, в котором врачи смогут создавать биопринты именно тех структур, которые им нужны, пока пациент находится на операционном столе. "Это метод, при котором хирурги смогут перетаскивать отпечаток прямо на пациента", - говорит Озболат. Такая технология печати тканей находится в зачаточном состоянии, но его команда стремится продвинуть ее дальше.