Как органы печатаются на 3D-принтере
Обновлено: 05.07.2024
Исследователи могут печатать клетки и биоматериалы, из которых состоят ткани человека, но предстоит еще долгий путь, прежде чем можно будет изготовить на заказ полностью функциональные органы.
Эмма Ясински
Эмма – независимый журналист из Флориды и постоянный автор материалов The Scientist.
26 февраля 2020 г.
В течение многих лет ученые предсказывали, что 3D-печать, которая использовалась для изготовления игрушек, домов, научных инструментов и даже пластикового кролика, содержащего код ДНК для собственной репликации, когда-нибудь можно будет использовать для печатайте живые части человеческого тела, чтобы смягчить нехватку донорских органов. До сих пор исследователи также использовали 3D-печать в медицине и стоматологии для создания зубных имплантатов, протезов и моделей, на которых хирурги могли практиковаться, прежде чем делать надрезы на пациенте. Но многие исследователи вышли за рамки печати пластиком и металлом и начали использовать клетки, из которых затем формируются живые ткани человека.
Пока никто не напечатал полностью функциональные человеческие органы для трансплантации, но ученые приближаются к этому, создавая кусочки ткани, которые можно использовать для тестирования лекарств, и разрабатывая методы, позволяющие преодолеть трудности воссоздания сложной биологии тела.
>Первые шаги
Первый 3D-принтер был разработан в конце 1980-х годов. Он мог печатать небольшие объекты, разработанные с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Дизайн будет фактически нарезан на слои толщиной всего в три тысячных миллиметра. Затем типограф объединит этот дизайн в готовый продукт.
Существовало две основные стратегии, которые принтер мог использовать для нанесения рисунка: он мог выдавливать пасту через очень тонкий наконечник, печатая рисунок, начиная с нижнего слоя и продвигаясь вверх, при этом каждый слой поддерживался предыдущими слоями. В качестве альтернативы можно начать с контейнера, наполненного смолой, и использовать направленный лазер для затвердевания частей этой смолы, чтобы создать твердый объект сверху вниз, который будет поднят и удален из окружающей смолы.
Когда дело доходит до печати клеток и биоматериалов для изготовления копий частей тела и органов, применяются те же две стратегии, но возможность работать с биологическими материалами таким образом требует участия клеточных биологов, инженеров, специалистов по биологии развития, материаловедов. ученые и другие.
К настоящему моменту ученые напечатали мини-органоиды и микрофлюидные модели тканей, также известные как органы на чипах. Оба дали практическое и теоретическое понимание функции человеческого тела. Некоторые из этих моделей используются фармацевтическими компаниями для тестирования лекарств, прежде чем перейти к исследованиям на животных и, в конечном итоге, к клиническим испытаниям. Одна группа, например, напечатала сердечные клетки на чипе и подключила его к биореактору, прежде чем использовать его для проверки сердечной токсичности известного лекарства от рака, доксорубицина. Команда показала, что частота сокращений клеток резко снизилась после воздействия препарата.
Однако ученым еще предстоит создать органы, которые действительно воспроизводят множество структурных характеристик и функций тканей человека. «Существует ряд компаний, которые пытаются делать такие вещи, как 3D-печать ушей», и исследователи уже сообщали о пересадке 3D-печатных ушей детям с врожденными дефектами, из-за которых уши недоразвиты, отмечает Робби Боулз, биоинженер. в Университете Юты. По его словам, пересадки ушей — это «своего рода первое доказательство концепции 3D-печати в медицине».
< /p>
Исследователи использовали методы 3D-печати в надежде разработать ткани, которые можно было бы трансплантировать людям. Некоторые печатные ткани, такие как кожа и кости, уже тестируются на людях, в то время как многие другие находятся на ранней стадии разработки.
Полная подпись
Боулз добавляет, что исследователи все еще далеки от печати более сложных тканей и органов, которые можно было бы трансплантировать в живые организмы. Но для многих ученых именно это и является целью. По данным United Network for Organ Sharing, по состоянию на февраль 2020 года более 112 000 человек в США ожидают пересадки органов. Около 20 из них умирают каждый день.
В течение многих лет инженеры-биологи пытались построить трехмерные каркасы, на которые можно было бы насадить стволовые клетки, которые в конечном итоге дифференцировались бы и приобрели форму органов, но «в значительной степени эти методы не позволяют вам представить своего рода организацию градиентов и паттернов, которые есть в ткани», — говорит Боулз. «Нет никакого контроля над тем, куда попадают клетки в этой ткани». Трехмерная печать, напротив, позволяет исследователям очень точно управлять размещением клеток, что может привести к лучшему контролю над развитием органов.
Дифференциация
В идеале органы, напечатанные на 3D-принтере, должны быть созданы из клеток, которые иммунная система пациента могла бы распознать как свои собственные, чтобы избежать иммунного отторжения и необходимости приема иммунодепрессантов. Такие органы потенциально могут быть построены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, специфичных для конкретного пациента, но одна из проблем заключается в том, чтобы заставить клетки дифференцироваться в подтип зрелых клеток, который необходим для построения определенного органа. «Сложность заключается в том, чтобы объединиться и создать сложные паттерны клеток и биоматериалов, чтобы обеспечить различные функции разных тканей и органов», — говорит Боулз.
Чтобы имитировать паттерны, наблюдаемые в естественных условиях, ученые печатают клетки в гидрогелях или других средах с молекулярными сигналами и градиентами, предназначенными для того, чтобы уговорить клетки организоваться в живые органы. Ученые также могут использовать 3D-печать для создания таких гидрогелей. При использовании других методов «образцы обычно получаются двухмерными», — сообщает The Scientist Эбен Алсберг, биоинженер из Университета Иллинойса. «Трехмерная биопечать позволяет лучше контролировать представление сигнала в 3D».
На данный момент исследователи создали участки ткани, имитирующие части определенных органов, но им не удалось воспроизвести сложность или плотность клеток целого органа. Но возможно, что для некоторых пациентов даже пластырь будет эффективным лечением. В конце 2016 года компания Organovo объявила о начале программы по разработке напечатанной на 3D-принтере ткани печени для трансплантации человека после того, как исследование показало, что трансплантированные участки напечатанных на 3D-принтере клеток печени успешно приживаются в мышиной модели генетического аппарата. заболевания печени и несколько биомаркеров, которые свидетельствовали об улучшении функции печени.
Сосуды
Только в последние несколько лет исследователи начали решать одну из самых сложных задач при печати трехмерных органов: создание сосудистой системы. После того, как пластыри были имплантированы в печень мыши в исследовании Organovo, кровь доставлялась к ней из окружающей ткани печени, но весь орган должен был быть подготовлен для кровотока.
"Чтобы любые клетки оставались живыми, [орган] нуждается в кровоснабжении, поэтому это не может быть просто огромный кусок ткани", – говорит Кортни Гегг, старший директор отдела тканевой инженерии в компании Prellis Biologics. и продает каркасы для поддержки тканей, напечатанных на 3D-принтере. «Это было признано одной из ключевых проблем».
Марк Скайлар-Скотт, биоинженер из Института Висса, говорит, что эта проблема «десятилетиями сдерживала развитие тканевой инженерии». Но в 2018 году Себастьяну Узелу, Скайлару-Скотту и команде из Института Висса удалось напечатать на 3D-принтере крошечный бьющийся желудочек сердца с кровеносными сосудами. По словам Узела, через несколько дней после печати салфетки он пришел в лабораторию и нашел кусок дергающейся ткани, что было «очень пугающим и одновременно захватывающим».
Чтобы любые клетки оставались в живых, [орган] нуждается в кровоснабжении, поэтому это не может быть просто огромный кусок ткани.
Вместо того, чтобы печатать прожилки слоями, команда использовала встроенную печать — метод, при котором материал не строится снизу вверх, а выдавливается непосредственно в ванну или матрицу. Эта стратегия, которая позволяет исследователям печатать «свободную форму в 3D», говорит Скайлар-Скотт, вместо того, чтобы печатать каждый слой один поверх другого для поддержки структуры, является более эффективным способом печати сосудистого дерева. . Матриксом в данном случае был клеточный материал, из которого состоял желудочек сердца. Желатиновые чернила мягко отодвинули эти клетки в сторону, чтобы создать сеть каналов. После завершения печати комбинация нагревалась. Это тепло заставило клеточный матрикс затвердеть, но желатин стал жидким, поэтому его можно было смыть, оставив место для протекания крови.
Но это не означает, что проблема полностью решена. В желудочке команды Института Висса были кровеносные сосуды, но не так много, как в полноразмерном сердце. Гегг отмечает, что для того, чтобы действительно имитировать человеческую биологию, «отдельная клетка должна находиться в пределах 200 микрон от вашего ближайшего источника крови. . . . Все должно быть очень, очень близко». Это гораздо сложнее, чем то, что исследователи напечатали до сих пор.
Из-за препятствий, связанных с добавлением сосудистой системы, и многих других проблем, с которыми по-прежнему сталкиваются ткани, напечатанные на 3D-принтере, созданные в лаборатории органы не будут доступны для трансплантации в ближайшее время. Тем временем 3D-печать частей тканей помогает ускорить как фундаментальные, так и клинические исследования человеческого тела.
Эмма Ясински – независимый репортер из Флориды. Подпишитесь на нее в Твиттере @EmmaYas24.
С помощью 3D-печати и электропрядения группа биоинженеров из Института регенеративной медицины Уэйк Форест под руководством Энтони Атала выращивает жизнеспособные ткани и органы для пациентов. Хотя многие из этих напечатанных на 3D-принтере органов все еще находятся на стадии исследований, некоторые должны быть готовы к клиническим испытаниям в течение года или двух.
Более 25 лет Атала занимается созданием клеток тканей в лаборатории. Его команда теперь может создать 40 различных структур органов и тканей, от пальцев и ушей до почек и сердец.
Что такое электроспиннинг?
Эти процедуры начинаются с взятия небольшого образца клеток пациента из области, которую биоинженеры пытаются воссоздать. Например, для кожи им нужен всего лишь трансплантат размером с почтовую марку. Затем в биореакторе они реплицируют эти клетки до тех пор, пока их не станет достаточно для выращивания органа.
3D-биопринтеры наносят различные типы клеток так же, как цветной 3D-принтер наносит различные типы полимеров. Фото: Уэйк Форест
Следующим шагом является построение внеклеточного матрикса или каркаса, на котором формируются клетки. Затем команда засевает матрицу стимуляторами роста и биохимическими веществами, которые побуждают клетки развиваться определенным образом. Матрица также обеспечивает механические силы, которые формируют развитие клеток.
Для создания таких структур, как кожа или кровеносные сосуды, в лаборатории используется электропрядение – технология 3D-печати, которая напоминает машины, используемые для превращения сахара в сладкую вату.
Биоинженеры используют эту технику для вращения гидрогелевого полимера на высоких скоростях, заставляя полимер удлиняться в длинные нити волокна. Затем они помещают тонкий стержень в центр машины. Волокна гидрогеля прилипают к стержню так же, как пушистая сладкая вата прикрепляется к бумажному конусу. Ученые манипулируют формой губчатого полимера, изменяя напряжение, пока не имитируют структуру, которую создают.
Как только исследователи достигают желаемой формы, они распыляют клетки из биореактора на матрицу, многократно наслаивая ее, чтобы она соответствовала естественным структурам. Например, чтобы воссоздать кожу, они начали с нанесения клеток из подкожного слоя, а затем из дермы и эпидермиса.
После наложения на матрицу структура помещается в инкубатор, который имитирует условия человеческого тела. Там это сочетание матрицы, биохимических веществ и клеток начинает жить собственной жизнью, используя матрицу в качестве ориентира.
Хотя этот метод идеально подходит для простых и легких структур, таких как кожа и кровеносные сосуды, ему не хватает точности и возможностей для создания твердых трехмерных структур, таких как сердце.
Как печатать цельные органы?
Чтобы создать твердый орган, исследователям нужен способ стимулировать рост кровеносных сосудов, чтобы каждая клетка в органе получала кислород и питательные вещества и могла удалять отходы. Создание этих деревьев кровеносных сосудов, которые разветвляются от крупных артерий к мельчайшим сосудам, десятилетиями ставило исследователей в тупик. Тем не менее команда Atala разработала несколько потенциальных решений.
Один из нескольких 3D-принтеров, предназначенных для печати клеток. Фото: Уэйк Форест
Первое решение начинается с существующего донорского органа, например печени. Во-первых, биоинженеры Wake Forest помещают его в шейкер, очень похожий на стиральную машину, с мягкими моющими средствами примерно на две недели.
"После прохождения через шейкер вы можете держать орган, и он будет выглядеть и ощущаться как орган, но в нем не будет клеток", – сказал Атала. «По сути, мы сохранили скелет органа».
Этот скелет состоит из коллагена, белка, который содержится в соединительной ткани организма и его внеклеточном матриксе. Подобно электропряденной матрице, коллагеновая матрица обеспечивает структуру и механические силы, необходимые клеткам для деления и выполнения функций, связанных с органами. Затем скелет органа откладывается вместе с клетками печени пациента, которые повторно заселяют орган, возвращая его к жизни со многими функциями печени человека.
Хотя этот метод является многообещающим, он все же означает ожидание донорского органа для работы.3D-печать может помочь в этом. Этот метод требует гораздо большего понимания самого органа, но обещает избавить пациентов от ожидания донорского органа.
"В таком органе, как сердце, происходит так много всего, что мы не можем увидеть, если не начнем с нуля", – сказал Атала. «Мы смотрим на структуру со стороны 360 градусов, чтобы быть уверенными, что сможем воспроизвести функциональность органа всеми возможными способами, иначе он не выживет».
Один из способов сделать это — продолжать строить органы и учиться на билдах. С этой целью Атала и его команда разработали более дюжины принтеров для выполнения сложных процессов создания твердого органа. Принтеры работают как цветные струйные принтеры, но вместо чернил их картриджи содержат ячейки, разделенные по типу.
Для начала в биопринтер загружается информация о пациенте и органе, схема того, что нужно построить. Через систему сопел принтер наносит слои клеток в виде густого геля. Это медленно создает структуру органа, сохраняя при этом жизнь встроенных в него клеток.
Пока команда все еще осваивает эту топографическую форму проектирования, 3D-печать дает исследователям возможность проработать детали. Путем проб и ошибок они успешно запрограммировали принтеры на печать даже мельчайших кровеносных сосудов внутри сложного органа.
Является ли 3D-биопечать будущим трансплантации органов?
Независимо от того, какой из этих методов использует команда, создание здоровой замены пациенту занимает от четырех до шести недель. Поскольку ткань или орган для замены изготавливаются из собственных клеток пациента, вероятность отторжения практически отсутствует, а это означает, что пациенты выздоравливают быстрее, чем когда-либо прежде, и им не нужно принимать лекарства, чтобы их иммунная система не атаковала трансплантат.
«Возможность создавать эти структуры с собственными клетками пациента, чтобы они действительно могли адаптироваться и заживать, — это наша надежда», — сказал Атала. «Мы хотим быть уверены, что сможем охватить как можно больше пациентов».
Атала говорит, что более простые структуры, такие как кожа и кровеносные сосуды, уже прошли успешные испытания на людях и появятся в клинике через пару лет. Твердые органы займут гораздо больше времени.
Это был замечательный путь для Атала, и его достижения заложили основу и базу знаний для успешного создания клеточной ткани человека.
Кэсси Келли — писатель, работающий в области инженерии и экологии, из Колумбуса, штат Огайо.
Около 200 000 человек ежегодно умирают в Индии из-за печеночной недостаточности. По правительственным данным, 10-15 процентов этих людей можно было бы спасти при своевременной пересадке. Однако достать органы не так просто, как вы думаете. На каждые 25 000 необходимых трансплантаций печени в Индии выполняется только 1 500.
Но 3D-печать может помочь изменить привычную реальность для индийцев, нуждающихся в пересадке органов. Теперь мы на шаг ближе к 3D-печати органов, предназначенных исключительно для трансплантации. Используя возможности 3D-печати, ученые уже довольно давно могут создавать искусственные ткани человека, но теперь, возможно, наконец-то наступит некоторая передышка в плане доставки.
В перспективе каждый новый орган от донора может быть пересажен в чужое тело в первые несколько часов. Органы, напечатанные на 3D-принтере, также сталкиваются с той же проблемой — срок годности их тканей чрезвычайно короткий.
Автор
"Криобиопечать"
Группа американских ученых считает, что, возможно, она нашла решение этой проблемы. С новыми результатами, опубликованными в журнале Matter, ученые сообщили о новом способе 3D-печати тканей и сохранения их в условиях ниже нуля, сохраняя при этом их жизнеспособность при трансплантации. Этот метод называется «криобиопринтинг», сообщает Daily Beast.
Основываясь на существующем методе 3D-печати тканей, органы изготавливаются из «биочернил», полученных из живых клеток и желатиноподобного вещества. Он наносится на поверхность до тех пор, пока не будет создана желаемая структура ткани органа.
Криобиопечать делает именно это, но с дополнительным шагом. Эти биочернила печатаются на холодной пластине при температуре -20 градусов по Цельсию, что позволяет им замерзнуть в течение миллисекунд после печати. Это помогает структуре сохранять свою форму, позволяя сложным тканям принимать форму. Это означает, что в ближайшем будущем с помощью той же технологии можно будет печатать на 3D-принтере целые органы для трансплантации.
Исследователи из Лундского университета в Швеции разработали новые биочернила для 3D-печати, которые могут на шаг приблизить 3D-печать человеческих органов к реальности.
Состоящие из комбинации альгината, полученного из морских водорослей и легочной ткани, биочернила позволяют печатать на 3D-принтере биосовместимые конструкции, напоминающие дыхательные пути человека.После печати конструкции поддерживают рост новых клеток и кровеносных сосудов в пересаженном материале.
Хотя первоначальное исследование было в центре внимания ткани легких, сообщается, что биочернила можно адаптировать для любого типа ткани или органа.
Поэтому исследователи под руководством доцента и старшего автора исследования Дарси Вагнер считают, что их работа определяет многообещающий новый класс биочернил для 3D-печати функциональных тканей человека для трансплантации.
3D-печать с высоким разрешением дает ответ
Чтобы Вагнер и ее команда продолжали развивать и улучшать свои недавно разработанные биочернила, разрешение 3D-биопечати необходимо улучшить. Печать с более высоким разрешением позволит исследователям напечатать на 3D-принтере больше дистальных отделов легких и альвеол, которые жизненно важны для газообмена, а также приблизить полностью напечатанные на 3D-принтере легкие к реальности.
«Мы надеемся, что дальнейшие технологические усовершенствования доступных 3D-принтеров и дальнейшие достижения в области биочернил позволят производить биопечать с более высоким разрешением, чтобы создавать более крупные ткани, которые можно будет использовать для трансплантации в будущем», — сказала она. «Нам еще предстоит пройти долгий путь».
Мартина Де Сантис, первый автор исследования, добавила: "Разработка этих новых биочернил — это значительный шаг вперед, но важно со временем дополнительно проверить функциональность малых дыхательных путей и изучить возможность этого. подход в моделях крупных животных».
Дополнительную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «Биочернила, армированные внеклеточным матриксом, для 3D-биопечати тканей человека», опубликованной в журнале Advanced Materials. В соавторстве с исследованием выступили М. Де Сантис, Х. Альсафади, С. Тас, Д. Белюкбас, С. Притивирадж, И. Да Силва, М. Миттендорфер, К. Ота, Дж. Стегмайр, Ф. Дауд, М. . Кенигсхофф, К. Сверд, Дж. Вуд, М. Тассиери, П. Бургин, С. Линдстедт, С. Мохлин и Д. Вагнер.
Достижения в области 3D-биопечати
Хотя нагруженные клетками биопечатные структуры обладают большим потенциалом для трансплантации тканей и органов человека, эта технология все еще находится на экспериментальной стадии. Разработка подходящих биочернил, ограниченная скорость печати, разрешение печати и ограничения на сложность архитектуры — все это препятствия на пути более широкого внедрения технологии.
Однако в прошлом году произошло несколько важных событий, которые обещают развитие биопечати и ее приложений.
Ученые из Университета Буффало недавно разработали новый быстрый метод 3D-биопечати, который может приблизить полностью напечатанные органы человека к реальности. Сообщается, что этот метод позволяет печатать гидрогели сантиметрового размера в 10–50 раз быстрее, чем это возможно с помощью традиционных методов 3D-печати, а также позволяет создавать встроенные сети кровеносных сосудов.
Тем временем американская компания 3D-принтеров OEM 3D Systems объявила о планах активизировать свою деятельность в области регенеративной медицины и биопечати после прорыва в своей платформе биопечати Print to Perfusion. Теперь система способна быстро производить полноразмерные васкуляризированные легочные каркасы и будет играть ключевую роль в развитии бизнеса компании в сфере здравоохранения.
В другом месте биотехнологическая компания United Therapeutics и израильская компания CollPlant, занимающаяся биопечатью, расширили свое партнерство для массового производства почек, напечатанных на 3D-принтере, в сентябре 2020 года, хотя с тех пор компании расторгли свое соглашение в феврале этого года. С помощью 3D-биопечати нервные клетки мозга образуют сложные узоры, которые можно использовать для моделирования развития неврологических заболеваний.
Подпишитесь на информационный бюллетень индустрии 3D-печати , чтобы быть в курсе последних новостей в области аддитивного производства. Вы также можете оставаться на связи, подписавшись на нас в Twitter и поставив лайк на Facebook.
Ищете работу в области аддитивного производства? Посетите Вакансии 3D-печати , чтобы узнать о вакансиях в отрасли.
На изображении показана инфильтрация кровеносных сосудов в трехмерных биопечатных конструкциях. Изображение предоставлено Лундским университетом.
Хейли Эверетт
Хейли — технический журналист 3DPI. У нее есть опыт публикаций в сфере B2B, посвященных производству, инструментам и велоспорту. Она пишет новости и статьи и проявляет большой интерес к новым технологиям, которые влияют на мир, в котором мы живем.
Читайте также: