Официальный сайт нияу мифи приемная комиссия нияу мифи сетевая школа нияу мифи

3D-БИОПРИНТИНГ ЖИВЫХ ОРГАНОВ

Биопринтингом (биопечатью) называют технологию создания объемных моделей на клеточной основе с использованием 3D-пе- чати, при которой сохраняется жизнеспособность клеток.
Для создания органов на 3D-принтере используется фоточув- ствительный гидрогель, порошковый наполнитель или специальная жидкость на основе живых клеток. Сначала по просчитанной на ком- пьютере форме печатаются фрагменты клеточного материала, потом он выращивается до целого органа в инкубаторе, где клетки сращи- ваются друг с другом.
Для процесса биопечати требуются, как минимум, три составля- ющие: 1) биопринтер – роботическое устройство, позволяющее по- слойно создавать трехмерные биологические объекты согласно за- данным характеристикам; 2) клеточный материал; 3) материалы
природного, синтетического или смешанного происхождения как основа биомиметического 3D-матрикса.
В технологии 3D-биопечати выделяют следующие основные этапы: предподготовки (pre-processing), производства (processing) и постпринтинга (post-processing).
Этап предподготовки включает моделирование будущего трех- мерного объекта, культивирование клеточного материала, а также подбор материала для матриксов под конкретный тип трехмерной биопечати. При проектировании объекта печати оператор задает размеры, геометрию, количество слоев и другие характеристики мо- дели в соответствии с решаемыми задачами и на основе данных о конфигурации зоны имплантации, полученных с помощью МРТ или КТ. На этапе производства трехмерную структуру конструкта по- лучают путем послойного нанесения на подложку биоматериалов и живых клеток согласно кадрам управляющей программы. Как пра- вило, на этом этапе запускают систему видеофиксации, которая в ре- жиме реального времени обеспечивает наблюдение за процессом со- здания трехмерных конструктов. Этап пост-принтинга необходим для стабилизации структуры напечатанного объекта и включает его
«дозревание» в биореакторе, когда формируются такие базовые ха- рактеристики, как механическая прочность, структурная целост- ность, а также функциональные свойства.
В настоящее время описано три основных метода биопринтинга (рис. 11.1): струйная печать, печать с применением лазера и печать, основанная на методе экструзии [26].

Рис. 11.1. Основные типы биопечати и варианты используемых дозаторов для гидрогелей с клеточным материалом

Выбор клеток для 3D-биопечати тканей или органов — важней- шее условие их правильного функционирования в созданном мате- риале. В организме ткани и органы состоят из многочисленных ти- пов клеток с особыми и необходимыми биологическими свой- ствами, которые должны быть воспроизведены и в трансплантируе- мой ткани. К тому же, кроме основного функционирующего типа, каждая ткань содержит клетки, обеспечивающие опорную, струк- турную и барьерную функции, которые необходимы для васкуляри- зации или создают оптимальную микросреду для дифференциации стволовых клеток. Вариантов для биопечати клеток всего два: изна- чальное внесение шаблонных клеток разных типов как основы бу- дущей ткани или печать стволовых клеток с их дальнейшей проли- ферацией и дифференциацией в нужные клеточные типы. Клетки, выбранные для биопечати, должны максимально воспроизводить естественное физиологическое состояние клеток in vivo и сохранять свои свойства в оптимальных условиях.
Для биопечати необходимы источники клеток, которые легко бу- дет получить и культивировать. К тому же клетки должны обладать свойством воспроизводить все функции определенной ткани или си- стемы органов, а также не быть иммуногенными. Потенциально комбинации различных зрелых или мультипотентных клеток могут применяться для эффективного воссоздания клеточных фенотипов, необходимых для определенных тканей. Например, популяция ство- ловых клеток, полученная из функционального компонента интере- сующей исследователя ткани, может быть использована для созда- ния функционирующих тканевых мини-блоков, в то время как ме- зенхимальные стволовые клетки, полученные из костного мозга или гестационной ткани, могут создать соединительную ткань, форми- рующую структурные компоненты органа [27].
На рис. 11.2 представлены временные рамки развития различных типов биопечатных тканей.

Рис. 11.2. Временные рамки развития различных типов биопечатных тканей

Существуют четыре типа тканей, которые можно упорядочить по схеме «от простого к сложному» в следующем порядке: двухмерные ткани – полые трубки – полые органы – паренхиматозные органы. На рис. 11.3 показаны примеры биопечатных тканей в масштабе че- ловеческого тела.

Двухмерные органы уже производились и тестировались, и, ско- рее всего, именно они станут первыми биопечатными органами, ко- торые будут трансплантированы пациентам. Например, в России напечатанную кожу успешно пересаживают лабораторным мышам, а в США и Китае уже были удачные попытки экспериментов на лю- дях. Полые трубки, например сосуды, трахея и уретра, находятся в процессе развития, и, скорее всего, будут второй ступенью в клини- ческом использовании биопечатных моделей. Паренхиматозные ор- ганы – наиболее сложные структуры, и в процессе их создания на данном этапе нерешенными остаются многие вопросы, особенно практическая сторона обеспечения необходимой васкуляризации и иннервации.
В настоящее время ученые уже научились печатать «рабочие» фрагменты сложных органов, например костную ткань для «запла- ток» на черепной коробке.

Рис. 11.3. Примеры биопечатных тканей в масштабе человеческого тела

Биопечатную легочную ткань можно использовать для тестиро- вания антивирусных препаратов, что позволяет радикально сокра- тить время испытаний. Кроме того, биопринтинг может помочь в борьбе с онкологическими заболеваниями. С его помощью можно размножить кусочек опухоли в биореакторе, напечатать образцы опухолевой ткани и дальше проводить опыты по подборке идеаль- ного лекарства и идеального лечения для конкретного пациента. Сейчас «химию» проводят на удачу: поможет то или иное лекарство или не поможет, и потом, это очень травмирующее весь организм лечение. Биопечать сделает лечение онкологии полностью безболез- ненным.

Стоит отметить эксперименты про первую в мире биопечать в космосе. Эксперименты по биопечати в условиях микрогравитации
проводились на биопринтере «Organ.Аut», который был сконструи- рован специалистами 3D Bioprinting Solutions и доставлен на МКС в 2018 г. (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Биопринтер «Organ.Аut» компании 3D Bioprinting Solutions

В декабре 2018 г. на МКС впервые были напечатаны щитовидная железа грызуна и хрящ человека. В будущем эти знания помогут при подготовке космонавтов к долгим космическим перелетам, а случае повреждения хрящевой ткани станет возможно провести необходи- мую биопечать и заменить поврежденный участок хряща прямо на борту космического корабля. Это намного облегчит длительные кос- мические перелеты – в случае травмы не будет необходимости воз- вращать космонавтов на Землю. Эксперименты с биофабрикацией щитовидной железой мыши подтвердили предположение, что в бу- дущем будет не столь важна форма органа – гораздо важнее воссо- здать его функцию. В экспериментах на Земле и в космосе напеча- танная щитовидная железа мыши отличалась по форме от стандарт- ной «бабочки», но при этом могла функционировать, т. е. вырабаты- вать нужный уровень гормона тироксина [28].

12.