Сейчас хирурги-трансплантологи возлагают большие надежды на то, что однажды будет возможно без проблем заказать замену части тела. Сейчас пациент может ждать месяцы, а иногда и годы на орган, который ему подойдет. Способность делать органы именно такими, какими они нужны, может не только существенно облегчить страдания, но и также спасти жизнь. The Economist рассказывает о создании первых коммерческих 3D биопринтеров для производства человеческих тканей и органов.

Новейшая машина стоит около 200 тысяч долларов. Она была разработана в Organovo, компании из Сан-Диего, специализирующейся на регенеративной медицине и компании Invetech, машиностроительной фирме из Мельбурна, Австралия. Один из главных основателей Organovo, Габор Форгач из Университета Миссури разработал прототип, на основе которого был создан новый 3D биопринтер.

Первые модели будут предоставлены научно-исследовательским институтам, где специалисты вроде Форгача изучают способы производства тканей и органов. В настоящее время значительная часть этой работы осуществляется вручную или путем адаптации существующих инструментов и приспособлений.

«Для начала будут изготавливаться только простые ткани, такие, к примеру, как мышцы, кожа и короткие отрезки кровеносных сосудов, которые будут использованы для исследовательских целей», - говорит Кит Мерфи, исполнительный директор Organovo. Мерфи говорит, что согласно ожиданиям компании, не позднее чем через 5 лет клинические испытания подтвердят эффективность аппаратов и новые принтеры будут производить сосуды для использования их в качестве имплантантов при шунтировании. Чем больше исследований будет проведено, тем большим может стать ассортимент сложных частей тела.

Поскольку биопринтеры имеют возможность производить разветвленные трубки, эта технология могла бы, например, быть использована для создания кровеносных сосудов, которые необходимы для поддержания таких «печатных» органов, как почки, печень и сердце.

3D принтер Organovo работает подобно некоторым машинам быстрого прототипирования, используемым в промышленности для производства деталей к механическим моделям. Они работают как струйные принтеры, но с третьим измерением.

Такие принтеры используют капли полимера, сливаются, формируя структуру. С каждым движением печатающих головок, база, на которой производится объект, продвигается на одну отметку. Таким образом, постепенно объект приобретает формы. Пустоты в структурах и сложных формах поддерживаются элементами из водорастворимых материалов. После того как объект завершен, эти элементы растворяются.

Недавно исследователи обнаружили, что нечто подобное может быть сделано и с биологическими материалами.

Когда небольшие кластеры с клетками располагаются рядом один с другом, они сливаются и самоорганизующиеся. Для выращивания зрелых клеток в функционирующих частях тела применяются различные методы - например, зарождения микроскопических мышц.

Хотя печать органов является инновационной технологией, некоторые эксперименты по выращиванию тканей уже были успешно завершены и раньше. Энтони Атала и его научные коллеги из Университета регенеративной медицины Wake Forest в 2006 году создали мочевые пузыри семи пациентов. Эти органы функционируют до сих пор.

«Процесс начинается с постановки крошечных образцов ткани собственного мочевого пузыря пациента, для того, чтобы орган, который будет выращен, не был отторгнут его иммунной системой», - рассказывает доктор Атала. Из этих образцов мы берем клетки-прекурсоры, которые могут сформировать мышцы на внешней поверхности пузыря и создать там специальные «творческие» клетки. Когда нужное количество этих клеток будет выращено в лаборатории, их поместят в специальный каркас, который разогревается до температуры тела. Затем зрелые клетки размножаются. Через шесть-восемь недель мочевой пузырь будет готов к установке в организм пациента.

Преимущество использования биопринтера заключается в том, что он устраняет необходимость в использовании постоянного каркаса, и сейчас доктор Атала тоже экспериментирует со струйными технологиями. Аппарат Organovo использует стволовые клетки, взятые из взрослого костного мозга и жировых прекурсоров. В результате применения соответствующих факторов роста, эти клетки могут вызвать образование многих других типов клеток. Они формируются в каплях диаметром 100-550 микрон, содержащих от десяти до тридцати тысяч клеток каждая. Капля сохраняет свою форму и легко проходит через устройство струйной печати.

Вторая головка принтера используется для образования каркаса на основе сахарного гидрогеля. Этот материал не влияет на рост клеток и не смешивается с ними. После завершения печати, структура «отдыхает» день или два, для того, чтоб капли слились. Для трубчатых структур, таких как кровеносные сосуды, гидрогель запускается в центр и вокруг внешнего кольца клеток жидкостей. Когда клетки вызревают, гидрогель извлекается изнутри, как веревка.

Биопринтеры также способны использовать другие типы клеток и вспомогательных материалов. Они могут быть использованы, как считает Мерфи, например, для послойного выращивания соединительной ткани, из которой можно выращивать зубы.

Принтеры работают в стандартной стерильной лаборатории. Invetech разработала лазерные калибровочные системы с целью обеспечения максимальной точности печатающих головок и компьютерно-графическую систему, которая позволяет визуализировать и разрабатывать места пересечения и соединения частей тела.

Некоторые исследователи считают, что такие машины, как биопринтер, однажды смогут печатать органы и ткани непосредственно в теле. Сейчас доктор Атала работает на одной из таких машин, которая сканирует контуры той части тела, где необходима замена кожного покрова, а затем распечатывает его.

Что касается больших частей тела, профессор Форгач считает, что они в целом могут принимать определенные различные формы, по крайней мере, на начальном этапе исследований. Биологические заменители почек, например, не должны выглядеть как настоящие почки, или содержать все их особенности для того, чтобы эффективно функционировать. Люди, ожидающие пересадки, вряд ли озабочены тем, как выглядят их новые части тела, пока они работают, и делают их жизнь лучше.