Технологии биопечати

Этот пост о биопринтерах - изобретении, которое поможет человеку выращивать новые органы взамен износившихся от старости и таким образом значительно продлить ему жизнь.

О технологии биопечати, разработанной Габором Форгачем в кампании Organovo, я уже рассказывал в одном из своих прошлых постов. Однако, это не единственная технология создания искусственного создания органов из клеток. Справедливости ради стоит рассмотреть другие. Пока что до массового применения они все далеки, но то, что такие работы ведутся, радует и вселяет надежду, что по крайней мере одна линия искусственных органов достигнет успеха.
Первое - это разработки американских учёных Владимира Миронова (Vladimir Mironov) из медицинского университета Южной Каролины (Medical University of South Carolina) и Томаса Боланда (Thomas Boland) из университета Клемсона (Clemson University). Первым исследования начал доктор Боланд, который придумал идею и начал исследования в своей лаборатории, и увлёк ею своего коллегу.
Вместе они с помощью принтера смогли реализовать технологию нанесения клеток слой за слоем. Для опыта были взяты старые принтеры Hewlett-Packard - старые модели использовались потому что у их картриджей достаточно крупные отверстия, чтобы не повредить клетки. Картриджи были тщательно очищены от чернил, и вместо чернил в них была залита клеточная масса. Также пришлось несколько переделать конструкцию принтера, создать программное обеспечение для контроля над температурой, электрическим сопротивлением и вязкостью "живых чернил".

Наносить клетки на плоскость слой-за-слоем ранее пытались и другие учёные, но эти впервые смогли это сделать с помощью струйного принтера.
На нанесении клеток на плоскость учёные останавливаться не собираются.
Чтоб напечатать трёхмерный орган, в качестве клея для соединения клеток предполагается использовать экзотический термообратимый (или "термореверсируемый") гель, созданный недавно Анной Гатовска (Anna Gutowska) из тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory).
Этот гель является жидким при 20 градусах по Цельсию и затвердевает при температуре выше, чем 32 градуса. И, к счастью, он не вреден для биологических тканей.
При печати на стеклянную подложку наносятся через один слои клеток и слои геля (см. рисунок 1). Если слои достаточно тонкие, то клетки потом сростаются. Гель не мешает сростанию клеток, и в то же самое время придаёт конструкции прочность до того момента, когда клетки сростутся. После чего гель может быть легко удалён с помощью воды.

Команда уже провела несколько экспериментов, используя легко доступные клеточные культуры, типа клеток яичника хомяка.
По мнению авторов, трёхмерная печать может решить проблему создания новых органов для медицины взамен повреждённых или выращивание органов для биологических опытов. Скорее всего, первой будет пущено в массовое использование технология выращивания больших участков кожи для лечения людей, поражённых ожогами. Поскольку исходные клетки для культивирования "живых чернил" будут взяты от самого пациента, так что проблемы с отторжением быть не должно.
Заметим также, что традиционное выращивание органов может занять несколько недель - так что пациент может не дождаться нужного органа. При пересадке органа от другого человека обычно только каждому десятому удаётся дождаться своей очереди на орган, остальные погибают. Но технология биопечати при наличии достаточно количества клеток может потребовать всего несколько часов для построения органа.

Во время печати потребуется решать такие проблемы, как питание искусственного органа. Очевидно, принтер должен печатать орган со всеми сосудами и капиллярами, через которые уже в процессе печати следует подавать питательные вещества (впрочем, как показали опыты Габора Форгача, по крайней мере некоторые органы способны формировать капилляры самостоятельно). Также орган должен быть напечатан не более чем за несколько часов - поэтому для повышения прочности креплений клеток предполагается добавлять в скрепляющий раствор белок коллаген.
По прогнозу учёных, уже через несколько лет биопринтеры появятся в клиниках. Перспективы, которые при этом открываются, огромны.
Для печати по этой технологии сложного органа, состоящего из большого количества клеток, требуются картриджи с большим разнообразием чернил. Однако, доктор Фил Кэмпбелл (Phil Campbell) и его коллеги из американского университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University), в частности, профессор роботехники Ли Вейсс (Lee Weiss) - которые тоже проводят эксперименты с биопечатью - придумали способ, как уменьшить количество видов чернил без вреда для результирующего органа.
Для этого в качестве одного из биоцветов он предложил использовать раствор, содержащий фактор роста BMP-2. В качестве другого биоцвета стволовые использовались клетки, полученные из мышц ног мышей.
Далее, принтером были нанесены на стекло четыре квадрата со сторонами по 750 микрометров - в каждом из них концентрация гормона роста была различна. Стволовые клетки, оказавшиеся на участках с фактором роста, начали превращаться в клетки костной ткани. И чем большей была концентрация BMP-2, тем выше "урожай" дифференцированных клеток. Стволовые же клетки, которые оказались на чистых участках, превратились в мышечные клетки, так как этот путь развития стволовая клетка выбирает по умолчанию.
Ранее клетки различных видов выращивались отдельно. Но, по словам учёного, совместное выращивание клеток делает эту технику более близкой к природной. "Вы можете создать такую структуру подложки, в которой один конец будет развивать кость, ещё один край - сухожилие, а третий - мускулы. Это обеспечивает вам больший контроль над регенерацией ткани", - говорит автор работы. И при этом будет использоваться только два вида чернил - что упрощает конструкцию биопринтера.
Проблемой управляемого изменения клеточных структур заинтересовались и учёные из России. «На сегодняшний день ведется очень много разработок, связанных с выращиванием тканей из стволовых клеток, - комментирует учёный Николай Адреанов. - Наилучших результатов ученые достигли при выращивании эпителиальной ткани, так как ее клетки очень быстро делятся. А теперь исследователи пытаются с помощью стволовых клеток создать нервные волокна, клетки которых в естественных условиях очень медленно восстанавливаются».
Также по словам Ли Вейсса, занимавшегося разработкой принтера, их технология ещё далека от промышленного внедрения. Кроме того, не помешало бы расширение знания о биологии. "Я могу напечатать довольно сложные вещи. Но, вероятно, один из самых серьёзных ограничивающих факторов (для данной технологии) - это понимание биологии. Нужно точно знать, что именно печатать". На другую проблему указывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. «В принципе печать тканей "клеточными чернилами" возможна, однако технология пока еще несовершенна, - отметил он - Например, если пересадить стволовые клетки в непривычные условия, эти клетки потеряют нить естественного развития и связь с окружающими клетками, что может привести к их перерождению в опухоль».
Но, будем надеется, что в ближайшие годы технология будет отработана.