Биопринтер уже реальность

Биопринтер - биологическая вариация технологии reprap, устройство, способное из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем, уже создано. В декабре 2009 года американской кампанией Organovo и австралийской кампанией Invetech было разработан биопринтер, рассчитанный на мелкосерийный промышленный выпуск. Вместо того, чтобы вырастить нужный орган в пробирке, гораздо легче его напечатать - так считают разработчики концепции.
Разработки технологии начались ещё несколько лет назад. До сих пор над данной технологией работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Но больше преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории Forgacslab в университете Миссури в рамках проекта Organ Printing, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Для коммерциализации своих разработок профессор и сотрудники основали кампанию Organovo. Кампанией была создана технология NovoGen, которая включала в себя все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части "железа". Была разработана лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет несколько микрометров. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении. Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её "эскизам") строила компания nScrypt (рисунок 2). Но те устройства были ещё не приспособлены для практического использования, и применялись для шлифовки технологии.
В мае 2009 года кампания Organovo выбрала в качестве промышленного партнёра медицинскую кампанию Invetech. Эта кампания обладает более чем 30-летним опытом производства лабораторного и медицинского оборудования, в том числе и компьютеризированного. В начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность. В ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Новый аппарат имеет настолько скромные габариты, что его можно будет поставить в биологический шкаф, который необходим для того, чтобы обеспечить стерильную среду в процессе печати 
Надо сказать, что биопечать - не единственный способ искусственно создавать органы. Однако, классический способ выращивания требует прежде всего изготовить каркас, задающий форму будущего органа. При этом сам каркас несёт опасность стать инициатором воспаления органа.
Преимущество биопринтера в том, что он не требует такого каркаса. Форму органа задаёт само печатающее устройство, располагая клетки в требуемом порядке. Сам биопринтер имеет две головки, наполняемые двумя типами чернил. В роли чернил в первой используются клетки различных типов, а во второй - вспомогательные материалы (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста). «Цветов» у принтера может быть больше двух - если требуется использовать разные клетки или вспомогательные материалы разного вида.
Особенностью технологии NovoGen является то, что печать ведётся не отдельными клетками. Принтер наносит сразу конгломерат из нескольких десятков тысяч клеток. Это есть основное отличие технологии NovoGen от других технологий биопечати.
Схема работы принтера представлена на рисунке 4.
Итак, сначала выращиваются требуемые ткани. Затем выращенная ткань нарезается цилиндрами в соотношении диаметра к длине 1:1 (пункт a). Далее - пункт b - эти цилиндрики на время помещаются в специальную питательную среду, где они приобретают форму маленьких шаров. Диаметр такого шара - 500 микрометров (пол миллиметра). Оранжевый цвет ткани придаётся с помощью специального красителя. Далее, шарики загружаются в картридж (пункт c) - который содержит пипетки, наполняемые шариками в порядке один-за-другим. Сам трёхмерный биопринтер (пункт d) должен наносить эти сфероиды с микрометровой точностью (то есть ошибка должна быть меньше тысячной доли миллиметра). Принтер также оборудуется камерами, которые способны наблюдать в реальном времени процесс печати (пункт e).
Созданный образец принтера работает сразу с тремя «цветами» - два вида клеток (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки) - а третий - это смесь, включающая в себя скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Эта смесь позволяет органу сохранять форму, прежде чем клетки срастутся между собой (пункт d).
По словам Габора, принтер не воспроизводит структуру органа в точности. Однако, этого и не требуется. Природная программа клеток сама корректирует структуру органа.
Схема собирания органа и срастания шаров в орган показана на рисунке 5. 
В ходе экспериментов биопринтер из клеток эндотелия и клеток сердечной мышцы цыпленка напечатал «сердце» (рисунок 6). Через 70 часов шарики срослись в единую систему, а через 90 часов - «сердце» начало сокращаться. Причём клетки эндотелия сформировали структуры, подобные капиллярам. Также мышечные клетки, первоначально сокращавшиеся хаотично, с течением времени самостоятельно синхронизировались и стали сокращаться одновременно. Впрочем, к практическому использованию этот прототип сердца пока что не пригодно - даже если вместо куриных клеток использовать человеческие - технология биопечати должна быть ещё улучшена.

Гораздо лучше принтер справляется с созданием более простых органов - например, кусков человеческой кожи или кровеносных сосудов. При печати кровеносных сосудов коллагеновый клей наносится не только на края сосуда, но и в середину. А затем, когда клетки сростутся, клей с лёгкостью удаляется. Стенки сосуда состоят из трех слоёв клеток - эндотелий, гладкие мышцы и фибробласты. Но исследования показали, что в печати можно воспроизводить только один слой, состоящий из смеси этих клеток - клетки сами мигрируют и выстраиваются в три однородных слоя. Этот факт может облегчить процесс печати многих органов. Таким образом команда Форгача уже может создавать очень тонкие и ветвящиеся сосуды любой формы. Сейчас исследователи работают над наращиванием слоя мышц на сосудах, что сделает сосуды применимыми для имплантации. Особый интерес представляют сосуды толщиной менее 6 миллиметров - так как для больших существуют подходящие синтетические материалы.
Иллюстрация с другими экспериментами биопечати - на рисунке 7.

Пункт a - кольцо из двух видов биочернил. Они специально окрашены разными флуоресцирующими веществами. Ниже - это же кольцо через 60 часов. Клетки самостоятельно срастаются. Пункт b - развитие трубки, набранной из колец, показанных на картинке. Пункт c сверху - 12-слойная трубка, составленная из клеток гладких мышечных волокон пуповины; пункт c, внизу - разветвлённая трубка прообраз сосудов для трансплантации. Пункт d - построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана решётка (6 на 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой "биобумаге". Если в те же "чернила" добавляются клетки эндотелия (второй рисунок - красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным), они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (пункт d, справа) вся ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2 микрона, а период - около двух секунд (время отмечено по горизонтали) (фото и иллюстрации Forgacs et al). 
На рисунке 8 также приведены структура распечатанных тканей сердца (фотографии Forgacs et al).

Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2010 году.
Следует отметить, что Organovo не является единственным игроком на данном рынке. Некоторое время назад западная биотехнологическая компания Tengion представила свою технологию воссоздания органов. Между подходами Tengion и Organovo есть некоторые различия. К примеру две технологии по-разному подходят к организации живых клеток в группы для создания тканей, кроме того принтеры компаний по-разному подходят к проблеме получения образцов и генного анализа. В обеих компания отмечают, что сталкиваются с одними и теми же трудностями - довольно сложно воспроизводить сложные ткани, оба принтера очень долго настраиваются на один тип трехмерной печати. Также разработка самого принтера - это лишь часть задачи. Также требуется создать специальное программное обеспечение, которое поможет моделировать ткань перед печатью и быстро перенастроить принтер. Сам принтер должен справится с созданием сложнейшего органа за несколько часов. По тонким капиллярам следует как можно скорее подавать питательные вещества, иначе орган погибнет. Тем не менее, обе компании имеют одинаковую конечную цель - «печать» органов человека.
Поначалу оборудование будет использоваться в исследовательских целях. Например, напечатанные фрагменты печени можно будет использовать в токсикологических экспериментах. Позже искусственные фрагменты кожи и мышц, капилляры, кости можно будет использовать для лечения тяжёлых травм и для пластических операций. Как Organovo, так и Tengion сходятся в том, что оборудование, способное быстро и качественно печатать органы целиком появится примерно в 2025-2030 году. Внедрение биопечати позволит сильно удешевить создание новых органов. Новые органы можно будет использовать для замены устаревших частей тела человека и как результат - радикального продления жизни (иммортализма). В перспективе биопечать позволит изобретать новые биологические органы для усовершенствования человека и животных и изобретения искусственых живых существ.