Печать органа за 30 минут и другие перспективы 3D-биопечати
В медицине наблюдается тенденция к экологичности: врачи ищут способы отказаться от применения искусственных материалов. Все более актуальной становится технология 3D-биопринтинга, используемая для печати живых тканей и органов в максимально короткое время - 30 минут. Профессор американского Университета штата Вирджиния Владимир Миронов в своем недавнем интервью для Think Blue рассказал, что ожидает трансплантологию в будущем.
- Как появилась технология 3D-биопечати? Кто придумал идею применения трехмерной печати в медицине?
- Тех, кто предшествовал ее появлению, было много, я остановлюсь на человеке, открывшем принцип слияния клеток. Ученый, фамилия которого Бор, работал над экспериментом с головастиками, когда жена позвала его ужинать. Бор ушел трапезничать, после чего забыл о своем занятии, оставив головастиков на рабочем столе. Вернувшись к эксперименту утром, ученый увидел, что они срослись.
- Какова связь принципа слияния клеток с биопечатью?
- Он служит основой 3D-биопечати. Процесс печати органов, вернее тканево-инженерная конструкция, - это всего лишь половина дела. Дальше необходимо, чтобы находящиеся в специальных капсулах клетки, срослись. Этим биопечать отличается от принтинга из пластика. При использовании искусственных материалов необходимо лишь их расплавить, задать форму, после чего объект будет готов. В биопечати все сложнее. Мне все время хочется сравнить ее с изобретением великого Гуттенберга. Чтобы была напечатана книга, нужны текст, бумага, чернила, пресс и литера. Для печати органа, необходимо такое же количество вещей: биочернила, картридж, тканевые сфероиды, биобумага или гидрогель, в котором располагаются клетки, и непосредственно, биопринтер.
- Расскажите все по порядку. Начнем с компонентов, а именно, с тканевых сфероидов…
- Тканевые сфероиды являются жидкостью, основным материалом для 3D-биопечати, которая способна держать определенную форму. Термин «сфероиды» походит от слова «сфера», что описывает форму данного «кирпичика» для 3D-печати как объемную. Сам сфероид является гидрогелем, состоящим на 99% из воды (по консистенции он напоминает желе). В них помещаются живые клетки, и что самое важное, в дальнейшем им свойственно соединяться друг с другом. Здесь происходит такой же процесс, как у Бора с его двумя головастиками. Важно, что сфероидам свойственно срастаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Это позволяет образовывать трехмерные структуры.
- Как происходит помещение живых клеток в гидрогель и откуда вы их берете?
- Для начала о клетках. Проживая в США, можно стать свидетелем интересного эффекта. Либо из-за жирной еды, либо из-за пищевых добавок, но люди здесь поправляются очень быстро. И это происходит даже с людьми других национальностей. Американцы обладают специальным прибором, которому под силу из жира извлекать стволовые клетки, которые потом приживаются и не вызывают иммунного отторжения. Мы получили эксклюзивное разрешение на использование этого устройства в России, поэтому, скоро появятся печатные органы российского производства. Главное – наличие стволовых клеток.
- А что вы скажете о загадочных сфероидах?.. Их люди будут создавать вручную?
- Нет, для этого процесса используют робота, который добавляет суспензию клеток в гидрогель. Следующий шаг - формирование капель-сфероидов, которые затем направляются в 3D-принтер. В итоге получается, что для печати мы используем воду, из которой на 99% состоит гидрогель. Такая технология позволяет создавать пока 6 тыс. сфероидов. Следующим шагом станет технология микрофлюидики, которая позволяет создавать 10 тыс. капель за секунду.
- Какова продолжительность печати одного органа?
- В среднем этот процесс занимает 30 минут. Но если быть точным, мы получаем не орган, а тканево-инженерную конструкцию, которая затем помещается в биореактор, и только спустя какое-то время можно получить орган. Он обладает высокой степенью выносливости, поэтому даже необходимость накладывания швов отпадает.
- Расскажите, как происходит печать почки?
- Не имеет значение, печать какого органа происходит, так как все органы печатаются по одной технологии. Для начала используется тонкий слой гидрогеля, дальше переходим к сфероидам, слияние которых происходит в горизонтальном и вертикальном направлениях. В данный момент с помощью специальной программы моделируется трехмерное изображение органа и происходит виртуальное рассечение этой модели на слои. Каждый из них подробно представляется вместе с отверстиями для сосудов и прочими нюансами на экране. Следующим, после моделирования, этапом является непосредственно работа над послойной печатью. Одной из важнейших заданий является печать сосудистого дерева. Принтинг без сосудистого дерева можно сравнить с группой людей, которых закрыли в кабинете на неделю без еды. Естественно, произойдет измождение, после чего наступит смерть. Аналогичная ситуация случится с напечатанным органом: без кислорода и питательных веществ ткань умрет.
- Процесс создания 3D-объекта – не простая задача. А стоимость устройств для 3D-печати, вероятно, очень большая… Как вы считаете, будет ли данная технология коммерчески успешной?
- Когда только появился первый персональный компьютер, говорили, что максимум, на что можно рассчитывать, это продажа трех ПК. Все потому, что тогда машина не имела большого количества задач. В то время сложно было даже представить, что каждый человек будет обладать собственным компьютером и выполнять с его помощью массу задач. Ту же ситуацию мы можем наблюдать с трехмерным принтером. Сегодня мы становимся свидетелями революции. Стоимость обычного принтера сейчас составляет 70 долларов, а работает он по двум направлениям, то есть при печати происходит «езда» вправо и влево. Добавление третьей оси координат, соответственно, прибавляет к стоимости еще 50 долларов. Сегодня, насколько мне известно, стоимость самого дешевого 3D-принтера составляет 347 долларов. Правда, это касается именно обычных 3D-принтеров, а с 3D-биопринтерами дело обстоит иначе.
- В чем отличие?
- В том, что для них отсутствует рынок. Существуют коммерческие 3D-биопринтеры по заоблачным ценам. Стоимость швейцарского, например, составляет 500 тыс. долларов, немецкий принтер с ним находится в одной ценовой категории. Американский вариант дешевле, около 200-250 тыс., при этом он характеризуется примитивным дизайном. Это то же самое, что сравнить «Мерседес» с авторучкой. Все происходит из-за отсутствия рынка. А если его нет, но содержать компанию необходимо, то цена автоматически растет. Так что коммерческие 3D-биопринтеры являются экономической реальностью. Правда, какое количество их можно будет продать, и кто будет их приобретать, - это уже другой вопрос.
- Но все же, присутствует уверенность, что 3D-биопринтеры станут коммерчески успешными?
- Я надеюсь на это. Это может спасти множество жизней. Находясь в очереди за органом, ежедневно умирает 18 человек. Также, принтер обеспечит серьезную экономию, если его сравнивать, например, с диализом, который в Штатах стоит около 1 млн. долларов из расчета на 12 лет (в год получается 75 тыс. долларов). Если же почка будет напечатана на 3D-принтере, то ее стоимость, включая операцию, не будет превышать 500 тыс. долларов. При наличии рынка эта стоимость может снизиться, но даже если вести подсчет по максимуму, то 3D-биопечать позволяет экономить полмиллиона долларов на одном пациенте.
- Вы расцениваете 3D-печать, как единственный правильный путь развития трансплантологии. А есть ли другие варианты?
- Конечно, другие варианты тоже могут существовать. Но, экологичны и безопасны ли они - большой вопрос. Естественно, мы можем вернуться в XIX век и продолжать заниматься протезами - искусственными органами. Как мне известно, сегодня делают даже искусственные сердца. Но, с другой стороны, вы только подумайте: с искусственной рукой, сердцем и почкой, человек превратится в какого-то Железного дровосека, полуживое существо.
Инородные, искусственные материалы не должны присутствовать в живом организме. Существует еще один, весьма сомнительный метод - это очищенные от клеток органы, проще говоря, б/у органы. Их называют «децеллюляризированными». У трупа или свиньи изымается орган, который отправляют в специальную машину с «порошком». Орган называют детергентом, поскольку от него остается лишь каркас, а живые клетки отсутствуют. То есть, процесс аналогичный трехмерной печати, только с другим составом. Происходит пересадка и приживание органа, все остаются довольны… По началу были сомнения, где можно взять такое количество органов, если они необходимы для пересадки. На самом деле, большое количество органов не подходят, из-за чего их отправляют в мусорное ведро, а поэтому, найти доноров - не проблема.
- Тогда чем, по-вашему, этот метод «неправильный»?
- Существует еще одно серьезное «но», о котором не все помнят. Проблема в том, что сегодня максимальный уровень эндотелизации составляет 70%. Чем является эндотелизация? Это когда в органе, очищенном от клеток, остаются каналы, в роли которых выступают сосуды. Чтобы кровь пошла по одному из них, сосуды должны быть высланы эндотелием (тонкой тканью), которая расположена между сосудом и самой кровью. Если ее не будет, в этом месте произойдет образование тромба. Если сосуд маленького размера, то кровоток прерывается. Когда сосуд большой, то происходит рост тромба, который в один момент может оторваться. Все это может привести к инвалидности или смерти. Следовательно, пока проблема эндотелизации не решится, этот метод потенциально опасен. В США, например, достаточно, чтобы погиб один больной, и тогда данное направление в трансплантологии закроют навсегда.
- А разве необходимо решение проблемы эндотелизации при печати органа? Ведь в обоих случаях, схема одна и та же – в итоге мы же получаем скаффолд (каркас органа)?
- Дело в том, что нет. 3D-биопринтеру под силу напечатать не только орган, у которого есть кровеносные сосуды, но и эндотелиальную ткань, поэтому с этим проблем не должно быть.
- В таком случае, какой необходимо быть хирургии, чтобы она могла соответствовать современному образу жизни?
- Как говорит мой хороший знакомый, развитие хирургии XXI века должно базироваться на трех основных вещах. Для начала ей следует быть не инвазивной, то есть, когда для операций нет необходимости нарушать целостности тканей. В кино, когда мы наблюдаем за сценой операций, всегда можно услышать реплику: «Ассистент, скальпель!». Этому выражению давно пора уйти в небытие. Второй момент - хирургии следует иметь максимально низкую стоимость. Но, наиболее важным является третий пункт: основой хирургии должна стать биология. Или, на крайний случай, все инновационные разработки и способы лечения должны вдохновляться ею. То есть, это означает, что ученым и врачам следует по максимуму отказаться от использования искусственных материалов, стремиться быть ближе к природе.
- По вашему мнению, метод 3D-печати соответствует данному критерию экологичности?
- 3D-печать имеет много отличий от всех методов, которые я называл раньше, и они в следующем: во-первых, трехмерная печать является роботизированной технологией, и вмешательство человека здесь необходимо для того, чтобы компьютер мог получить задачу. Во-вторых, нет необходимости «стирать» органы трупов и лепить что-либо из искусственных материалов. Здесь применяется послойная фабрикация, причем слои получаются тончайшими. Благодаря этому, скаффолд (каркас органа) становится подвижным и легко приживается. В-третьих (что является здесь наиболее важным), для работы мы используем только живые клетки, а именно, тканевые сфероиды.
- Сделайте прогноз: когда первый орган напечатают на 3D-биопринтере для его дальнейшей пересадки?
- Я предполагаю, что первый орган напечатают к 2030 году. В ближайшее время мы планируем создать собственный биопринтер, который будет более совершенным и доступным по стоимости, в сравнении со всеми моделями, которые сегодня присутствуют на рынке. Далее - печать тканей, а затем и органов.
- Если возможна печать каркаса органа, или скаффолда, возможен ли принтинг живого организма?
- В перспективе все возможно. На данный момент ученые уже напечатали сетчатку, а также нейронные сети и соединения. Все достаточно просто. Робот состоит из трех частей – сенсора (для восприятия окружающего мира), трансдьюсера (для передачи сигнала) и актуатора (для осуществления каких-либо действий). Сегодня активно делают подобные вещи. В Греции, например, объявили европейский грант на создание мягких биороботов. Я видел двигающийся хобот слона, а также щупальца осьминога. Также есть плавающая медуза, которую сложно отличить от живой. Многие вещи, которые раньше были фантастическими идеями, сегодня стали реальностью. Даже печать подкроватных монстров возможна, как живых, так и бегающих. Многие, в том числе, ученые, не редко говорят: это science fiction (то есть, научная фантастика). Сегодня в науке нет такого понятия, как science fiction, на замену пришло понятие научной событийности. А поэтому, можно не сомневаться, что все, что было выдумкой, рано или поздно будет реализовано. Читайте Жюля Верна!
