Введение
Метод создания искусственных органов
Печать органов использует методы, аналогичные обычной 3D-печати, где компьютерная модель загружается в принтер, который послойно наносит пластик или воск, пока не будет создан трехмерный объект. В случае печати органов, принтер использует биосовместимый пластик. Это находит применение в фармацевтических исследованиях, а также в обучении врачей и хирургов.
История
Область печати органов возникла из исследований в области стереолитографии, которая легла в основу практики 3D-печати, изобретенной в 1984 году. В эту раннюю эпоху 3D-печати создание долговечных объектов было невозможно из-за недолговечности материалов, используемых в процессе печати. Вместо этого 3D-печать применялась для моделирования потенциальных конечных продуктов, которые впоследствии изготавливались из других материалов с использованием более традиционных технологий. В то время один из исследователей использовал модифицированный струйный принтер HP для нанесения клеток с помощью технологии цитоскрибинга. Ученые из Уэйк-Форест напечатали искусственный каркас для человеческого мочевого пузыря, а затем засеяли его клетками пациента. После успеха с мочевым пузырем в Уэйк-Форест были предприняты шаги по печати других органов. В 2002 году была напечатана миниатюрная, полностью функционирующая почка. В этом процессе использовалась модифицированная система точечного нанесения клеток в организованные 3D-матрицы, размещенные на подложке. В 2004 году область биопечати претерпела значительные изменения благодаря появлению нового биопринтера. Напечатанное сердце имело правильную анатомическую структуру и функцию, сопоставимые с настоящим сердцем. Печать органов с использованием 3D-печати может осуществляться различными методами, каждый из которых обладает определенными преимуществами, подходящими для производства конкретных типов органов.
Жертвенное письмо в функциональную ткань (SWIFT)
Жертвенное нанесение в функциональную ткань (SWIFT) – это метод печати органов, при котором живые клетки плотно упаковываются для воспроизведения плотности, наблюдаемой в человеческом организме. В процессе уплотнения формируются каналы, имитирующие кровеносные сосуды, через которые доставляется кислород и необходимые питательные вещества. Эта технология объединяет другие подходы, которые либо только уплотняли клетки, либо только создавали сосудистую сеть. SWIFT сочетает в себе оба этих аспекта и представляет собой усовершенствование, которое приближает исследователей к созданию полноценных искусственных органов.
Биопечать на основе капель (принтер)
Биопечать на основе капель позволяет создавать клеточные конструкции, используя капли заданного материала, который часто комбинируют с клеточной линией. Сами клетки также могут быть нанесены таким образом, с полимером или без него. При печати полимерных каркасов этим методом каждая капля начинает полимеризоваться при контакте с поверхностью подложки и объединяться в более крупную структуру по мере слияния капель. Полимеризация может происходить различными способами, в зависимости от используемого полимера. Например, полимеризация альгината инициируется ионами кальция в подложке, которые диффундируют в жидкую биочернила и обеспечивают формирование прочного геля. Биопечать на основе капель широко используется благодаря своей высокой скорости. Однако это может ограничивать ее применение для создания более сложных органов и тканей.
Экструзионная биопечать
Экструзионная биопечать включает в себя последовательное нанесение определенной биочернила и клеточной линии из экструдера – своеобразной портативной печатающей головки. Этот метод обычно обеспечивает более контролируемое и бережное нанесение биочернил или клеток, а также позволяет использовать более высокие плотности клеток при создании трехмерных тканевых или органных структур. Однако эти преимущества компенсируются более низкой скоростью печати, характерной для данной процедуры. Экструзионная биопечать часто сочетается с использованием ультрафиолетового света, который фотополимеризует нанесенные биочернила, создавая более стабильную и структурированную конструкцию. Лазер прорисовывает поперечное сечение формы желаемого объекта в порошке, сплавляя его в цельную форму.
Природные полимеры
Материалы для 3D-печати обычно состоят из полимеров альгината или фибрина, интегрированных с молекулами клеточной адгезии, которые обеспечивают физическое прикрепление клеток. Такие полимеры специально разработаны для поддержания структурной стабильности и восприимчивости к клеточной интеграции. Термин «биочернила» используется как широкая классификация материалов, совместимых с 3D-биопечатью. Гидрогель-альгинаты стали одними из наиболее часто используемых материалов в исследованиях печати органов, поскольку они обладают высокой степенью настраиваемости и могут быть точно подобраны для имитации определенных механических и биологических свойств, характерных для естественных тканей. Способность гидрогелей адаптироваться к конкретным потребностям позволяет использовать их в качестве адаптируемого каркасного материала, подходящего для различных структур тканей или органов и физиологических условий. Основная проблема при использовании альгината заключается в его стабильности и медленном разложении, что затрудняет разрушение искусственного гелевого каркаса и замену его собственной внеклеточной матрицей имплантированных клеток. Алгинат-гидрогель, подходящий для экструзионной печати, также часто обладает недостаточной структурной и механической прочностью; однако эту проблему можно решить путем включения других биополимеров, таких как наноцеллюлоза, для повышения стабильности. Свойства биочернил на основе альгината или смешанных полимеров можно регулировать и изменять для различных применений и типов органов. Эти качества являются преимуществом и обеспечивают высокую приживаемость 3D-биопринтированного органа при имплантации in vivo.
Типы принтеров и процессы
Типы принтеров, используемых для печати органов, включают: Только в Соединенных Штатах более 100 000 пациентов находятся в листе ожидания трансплантации органов, ожидая доступности донорских органов. Пациенты в листе ожидания могут ждать дни, недели, месяцы или даже годы, пока не появится подходящий орган. Среднее время ожидания для некоторых распространенных трансплантаций органов составляет: четыре месяца для сердца или легких, одиннадцать месяцев для печени, два года для поджелудочной железы и пять лет для почки. Это значительное увеличение по сравнению с 1990-ми годами, когда время ожидания сердца могло составлять всего пять недель. В Соединенных Штатах 20 человек ежедневно умирают в ожидании органов для трансплантации. В области печати органов разработки могут быть полезны как для пациентов, так и для хирургов. Например, напечатанные органы использовались для моделирования структуры и повреждений, чтобы лучше понять анатомию и обсудить план лечения с пациентами. В этих случаях функциональность органа не требуется и используется для подтверждения концепции. Эти модельные органы способствуют совершенствованию хирургических техник, обучению начинающих хирургов и переходу к индивидуализированному лечению пациентов. Эти органы на чипе потенциально могут использоваться для создания моделей заболеваний, помощи в разработке лекарств и проведения высокопроизводительных тестов. Новая платформа "тело на чипе" включает в себя печень, сердце, легкие и почки на чипе. Органы на чипе печатаются или создаются отдельно, а затем интегрируются вместе. С помощью этой платформы исследования токсичности лекарств проводятся в режиме высокой пропускной способности, что снижает затраты и повышает эффективность процесса разработки лекарств. В частности, при переходе от доклинических к клиническим испытаниям для этого метода лечения могут возникнуть юридические сложности.
Регулирование
Нынешнее американское регулирование подбора органов сосредоточено на национальном реестре доноров органов после принятия Национального закона о трансплантации органов в 1984 году. В 2016 году FDA опубликовало проект руководства по техническим аспектам устройств, изготовленных с использованием аддитивных технологий, и в настоящее время рассматривает новые заявки на 3D-печатные устройства. Однако сама технология пока недостаточно развита для широкого внедрения FDA. Также необходимо учитывать ранее упомянутые источники клеток. Печать органов может сократить или устранить необходимость в исследованиях и испытаниях на животных, но при этом возникают вопросы об этических последствиях использования как аутологичных, так и аллогенных источников. В частности, начались исследования будущих рисков для людей, участвующих в экспериментальных испытаниях. В настоящее время существует дефицит доступных органов, включая печень, почки и легкие. Длительное время ожидания жизненно важных органов является одной из основных причин смерти в Соединенных Штатах, и почти треть ежегодных смертей в США можно было бы отсрочить или предотвратить с помощью трансплантации органов. Мочевой пузырь был сформирован из ткани мочевого пузыря реципиента. Испытания на животных используются для определения безопасности продуктов, от косметики до медицинских устройств. Косметические компании уже используют небольшие модели тканей для тестирования новых продуктов на коже. Дополнительным преимуществом печати органов является возможность быстрого создания моделей тканей, что повышает производительность. Для транспортировки питательных веществ, кислорода и отходов необходимо спроектировать правильную сосудистую систему. Дополнительные задачи включают разработку клинических испытаний для оценки долгосрочной жизнеспособности и биосовместимости синтетических органов. Несмотря на значительный прогресс в области печати органов, необходимы дальнейшие исследования.