Как вырастить орган с помощью 3D-принтера

Биопринтинг — это технология послойного наращивания и синтеза объектов, которые содержат живые клетки и имитируют поведение и структуру биологических тканей. Направление объединяет в себе сразу несколько подходов ― из клеточной инженерии, материаловедения, молекулярной биологии и химии.

Принцип работы биопринтера такой же, как и у обычного, всем известного 3D-принтера. Различие только в используемом материале ― вместо пластика, керамики или металла здесь используется специальные биочернила, которые состоят из смеси живых клеток, питательных веществ и гелевых материалов, имитирующих внеклеточный матрикс. Последним называют структуры ткани, которые обеспечивают механическую поддержку клеток и транспорт химических веществ — в его состав входят гликопротеины (например, коллаген), гиалуроновая кислота, минералы и другие компоненты.

Биопринтер создает органический объект методом послойного нанесения чернил на основании компьютерной модели. Модели делают под конкретного пациента, опираясь на МРТ его органов и другие способы медицинского исследования.

3D-биопринтер позволяет создавать тканеинженерные структуры, которые можно использовать в различных областях медицины и тканевой инженерии ― например, для регенерации и пересадки костей, кожи, сосудов и других тканей и органов. В перспективе такие технологии могут помочь решить проблему нехватки органов и тканей для трансплантации — предполагается, что в будущем на биопринтере можно будет напечатать даже сердце, почки и печень.

Сейчас работать с такими органами, к сожалению, невозможно — у них сложная форма и набор функций, которые технологически трудно воспроизвести при помощи печати. Например, сердце, должно не только иметь подходящую структуру ткани, но и выполнять такие функции, как васкуляризация (формирование новых кровеносных сосудов внутри ткани), сокращение и распространение электрического сигнала.

А вот печатать более простые органы на биопринтере уже получается. Например, исследователи из Университета Уэйк-Форест в США уже напечатали и успешно имплантировали искусственные ткани мочевого пузыря семи пациентам с соответствующими заболеваниями.

Еще одно направление биопринтинга — печать растительными клетками, которая позволит создавать искусственную древесину и другие растительные материалы. Их можно будет применить для сокращения вырубки лесов, озеленения ландшафта и в качестве сырья для биопромышленности.

Биопринтинг в ИТМО: импланты для хрящей

Проекты по биопринтингу есть и в ИТМО. Этим направлением, в частности, занимается лаборатория 3D-печати функциональных наноматериалов ― работа поддержана мегагрантом для развития технологии биопечати в Петербурге. Проект ученых ИТМО посвящен печати имплантов для регенерации дефектов гиалинового хряща — соединительной ткани, из которой состоят суставные и реберные хрящи, а также хрящи носа, гортани и трахеи.

Дефекты гиалинового хряща возникают из-за травм, активного образа жизни, лишнего веса и других причин. Некоторые из них можно купировать консервативным лечением, но более серьезные повреждения лечат хирургическими методами, в том числе хондропластикой (пересадка хряща) и имплантацией хондроцитов (хрящевых клеток). Однако у этих методов есть существенные недостатки: не всегда удается восстановить морфологическую структуру, близкую к гиалиновому хрящу, а восстановленная ткань со временем может разрушаться под действием собственных чужеродных ферментов. Одним из самых многообещающих подходов к решению этой проблемы считается  клеточная инженерия гиалинового хряща, а массовое, точное и стандартизированное создание таких объектов просто невозможно без технологии 3D-биопечати.

Проектом занимается студентка химико-биологического кластера Виктория Егорова. Эта работа ― часть ее магистерской диссертации. Инициатором исследования стал кандидат биологических наук сотрудник НМИЦ травматологии и ортопедии им Р.Р. Вредена Михаил Божокин, он же выступает научным консультантом проекта, а доцент химико-биологического кластера, заведующая лабораторией прикладных материалов для энергетики доктор химических наук Елена Кривошапкина ― научным руководителем. Также в работе участвуют исследователи из СПбГУ и Института цитологии РАН. 

«Мне интересно печатать клетками и понимать, что происходит с ними, когда они находятся в окружении, имитирующем их естественную среду. Так совпало, что в ИТМО зашел сторонний специалист, который отливал хрящевые импланты и заселял в них клетки — биолог Михаил Божокин. Он рассказал Елене Кривошапкиной о своем желании создать проект по биопринтингу, чтобы автоматизировать печать имплантов и поставить клеточные исследования по ним на поток. Ведь чем больше данных, тем выше их релевантность, точнее статистика и заметнее прогресс», — рассказала автор проекта, студентка химико-биологического кластера Виктория Егорова.  

В качестве биочернил для печати используется стандартизированная культура клеток человека, смешанная с другими органическими веществами. В виде желеобразной субстанции эту смесь помещают в экструдер 3D-принтера, который создает биологические изделия путем продавливания материала (в данном случае — клеток) через формующее отверстие. В результате получается клеточно-инженерная конструкция определенной архитектуры и заданной точности. Такая технология 3D-печати называется гель-экструзионной.

В биопечати используется особый материал с живыми клетками — важно, чтобы он был не токсичен для них: клетки должны выжить и в составе чернил, и в процессе экструзии, и в течение дальнейшего выращивания таких объектов. При этом материал должен обладать подходящими свойствами для малоинвазивного вмешательства: определенными жесткостью и вязкостью.

Результаты

Создатели проекта уже научились получать материал с оптимальными свойствами и напечатали импланты, в которых выживают клетки. Имплант имеет полимерный каркас и содержит гель, который поддерживает жизнеспособность клеток — для этого исследователи соединили две технологии: 3D гель-экструзионную печать и LCD 3D-печать каркаса. Полученную конструкцию инкубируют, то есть выращивают в ней клетки, и наблюдают за ними. Если клетки выживают, делятся и формируют тканеподобную структуру, то жесткость импланта повышается, так как клетки начинают вырабатывать коллаген. Это делает имплант пригодным для хирургического вмешательства.

Дальше авторы проекта планируют провести эксперименты in vitro для анализа совместимости материалов импланта с клетками и определения оптимальных характеристик состава гидрогеля и его физико-химических свойств (например, жесткости). Чтобы имплантировать созданный 3D-биообъект в заранее смоделированный дефект гиалинового хряща, ученые проведут эксперименты на кроликах. И хоть попыток напечатать импланты для регенерации дефектов гиалинового хряща действительно немало, пока совсем немногие попытались поставить это на поток и вживить импланты подопытным животным, отмечает Виктория Егорова.

Также исследователи проводят эксперименты с использованием специального аппарата в НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена. Этот прибор проделывает в хряще кролика модельный дефект определенной формы и размеров. Затем исследователи создают в программе 3D-модель с такими же параметрами, которую можно напечатать на биопринтере и имплантировать.

Перспективы

«Мир меняется с большой скоростью, и я считаю, что важно проявлять гибкость. Я планирую закончить исследование в рамках магистерской работы с выживаемостью клеток и с удачными экспериментами in vivo, чтобы мы показали, что такой автоматизированный подход открывает путь к развитию клеточной инженерии в России. В будущем я хочу поступить в аспирантуру, развивать этот проект и дойти до более сложной микрофлюидной системы, которая не просто будет имитировать внеклеточный матрикс, а еще и обеспечивать контролируемый обмен веществами между различными культурами клеток. Также я бы хотела создать структуру, подобную органу на чипе (устройство для выращивания различных клеточных культур)», — рассказывает Виктория Егорова.

Авторы проекта предполагают, что в будущем 3D-биоимпланты для замещения  дефектов гиалинового хряща можно будет широко использовать для восстановления поврежденной суставной поверхности у людей. Это актуальное направление в медицине, так как заболевания опорно-двигательного аппарата выходят сегодня на первый план и большую долю среди них составляют как раз дефекты гиалинового слоя крупных суставов (коленного и тазобедренного). С ними нередко сталкиваются как спортсмены, которые часто получают травмы, так и малоактивные люди пожилого возраста, страдающие артритом и артрозом. Кроме того, биопечать открывает возможности для развития персонализированной медицины — можно будет исправить дефект, зная его архитектуру, форму, размеры и другие характеристики.

«Если наша технология будет воспроизводима, то потенциально может стать патентом, который будет актуален для медицинских организаций, исследовательских институтов и частных клиник», — резюмирует Виктория Егорова.