Начало обзора см. Печать будущего: биопринтинг. Часть 1
«Если мы можем напечатать часы, музыкальные инструменты, обувь, оружие, мебель, то почему бы не попробовать напечатать человека? Ну или хотя бы «запасные части» к нему?» - безусловно, это утрированная формулировка, однако в процессе совершенствования методик современной трансплантологии проблема нехватки донорских органов встает все острее и острее, что активизирует поиски альтернативных источников трансплантатов, и идея «напечатать их» явилась здесь весьма кстати.
В 2000 году биоинженер Томас Боланд перешел от постановки вопроса к действию: модернизировал принтеры от Lexmark и HP и опробовал печать живыми клетками.
За основу были взяты принтеры с достаточно большим диаметров сопла, чтобы не повредить клетки при печати. Модернизации подверглось и программное обеспечение, чтобы обеспечить необходимый контроль над температурой и вязкостью жидкости.
Томас Боланд и первый биопринтер
В 2003 этот метод был запатентован, однако печать плоскостных монослоев была лишь первым шагом на пути к мечте о «печати органов», на котором больше вопросов, чем ответов, ведь человеческий орган, во-первых, не плоская фигура, а трехмерный объект, а во-вторых, это не гомогенно-клеточное образование, в нем есть различные типы клеток, сосуды, нервы, все это должно быть как-то взаимосвязано и надежно интегрироваться в гармоническое целое человеческого организма.
Несмотря на то, что многие из этих вопросов пока не решены и решатся еще не скоро, практически опробованная возможность печати живыми клетками открыла новую страницу в истории печати: мы живем в эру, когда понятие «биопечать» перешло из категории абстрактно-теоретических понятий во вполне практическую плоскость.
Биопринтинг - печать в новом прочтении
При кажущейся отдаленности биопринтинга и полиграфии поиски решений в области печати живыми клетками сохраняет аналогию со своей «полиграфической» основой. Технология биопечати включает в себя те же элементы, только аналогом текста выступает цифровая модель органа, чернил – клеточные сфероиды, а бумага заменилась на гидрогели, питательные основы и, наконец, в качестве печатного пресса выступает биопринтер, представленный в последних версиях скорее уже как роботизированный механизм, чем как «пресс», но сохраняющий свое название.
Соответственно идет и усовершенствование технологии в целом. В основе развития биопечати лежит тот уровень технического прогресса, которого достигла инженерная мысль конструкторов принтеров, только каждая из этих технологий проходит проверку на живом материале и надлежащим образом модернизуется.
Технологии биопринтинга: струя, экструзия, лазер
Струйная печать – наиболее распространенный вид печати ожидаемо стал более востребованным и в сфере биопринтинга. Технологически он не слишком отличается от классического струйного принтера, только вместо чернил в нем используется биологический материал, а роль «бумаги» играет управляемый электроникой поддон с подложкой в виде гидрогеля для фиксации биологического материала.
Технология струйной биопечати: размер капли: от 1 до 300 пкл; частота: от одной до 10 000 капель в секунду; результат: структуры шириной 50 мкм из капель, в каждой 1-2 клетки. Источник изображения.
С учетом специфики подаваемой жидкости варьируются способы выброса капель: ультразвуковой и термический, каждый из них имеет свои ограничения, связанные с возможностью повреждения живых клеток и вязкостью материала. К тому же струйная технология подразумевает, что распыляемый материал – это жидкость, тогда как результатом биопечати должна быть стабильная трехмерная структура с достаточной плотностью клеток, что делает необходимым внедрение дополнительного этапа сшивания структуры, которое занимает значительное время и снижает скорость печати.
При этом струйный метод нанесения имеет и очевидные достоинства, унаследованные им от своего «печатного» прародителя: относительная простота конструкции принтера, программное обеспечение, низкая стоимость, высокая разрешающая способность, скорость печати, способность создавать градиент, в том числе и в концентрации клеток, посредством изменения размера и плотности капель, к тому же этот метод совместим с многими биологическими материалами и сохраняет высокий процент жизнеспособности клеток.
Несмотря на определенные ограничения, продукты струйной печати заняли свое место в биопринтинге – они оптимальны для восстановления полноценных кожных покровов и хрящей, при этом высокая скорость нанесения позволяет наносить клетки непосредственно на поврежденный участок.
Ускорение сшивания клеток может достигаться посредством экспозиции материала в УФ-лучах. Так что вполне возможно, что в обозримом будущем в инструментарий травматологов, ортопедов-хирургов, медиков ожоговых центров войдут компактные уф-принтеры для «починки» кожи, хрящей, сухожилий.
Микроэкструзионная печать – технология, основанная на распределении шариков вещества по осям х, y, z, берет начало в экструзионной технологии 3D принтеров. С микроэкструдерами совместимо большое количество материалов, используемых в биопечати: гидрогель, биосовместимые полимеры, и сфероиды (плотно упакованные объединения живых клеток). Применение технологии 3D печати в биопринтинге позволяет достичь необходимой физиологической плотности клеток для создания объемных объектов.
Казалось бы, микроэкструзионная печать дает все необходимые преимущества для воссоздания трехмерных органических объектов, однако эти же преимущества дают существенное ограничение: и при механическом, и при пневматическом способе подачи материала выживаемость клеток ниже, чем при струйной печати, а при снижении давления системы подачи и увеличении диаметра сопла (для уменьшения разрушающего воздействия на клетки) происходят слишком большие потери разрешения и скорости печати.
Лазер-опосредованная печать – технология, основанная на принципах прямого лазер-индуцированного переноса, изначально была разработана для переноса металла, однако успешно применяется на биоматериалах для ткане- и органно-инженерных приложений. Принцип работы LAB (Laser-assisted bioprinting) устройств: при помощи сфокусированных лазерных пучков клеточный материал переносится с подложки с лазер-поглощающим слоем (золото или титан) на подложку коллектора за счет образования пузыря высокого давления. Так как в таком механизме отсутствуют элементы типа насадок
Различие стратегий биопечати. Источник изображения
LAB установка может печатать живыми клетками с незначительным воздействием на их жизнеспособность. Однако для достижения необходимой стабильности формы при помощи такой установки требуется быстрая кинетика гелеобразования, также отдельную сложность представляет точное позиционирование клеток и присутствие в итоговом объекте следов металлических компонентов из-за испарения металлического лазер-поглощающего слоя во время печати.
В отечественной практике биопринтинга именно применение лазера в биопечати оказалось самым продуктивным.
В 2014 году лабораторией 3 D Bioprinting Solutions был представлен первый отечественный 3D биопринтер FABION, работающий по технологии двухфотонной полимеризации, которая позволяет составлять скаффолды – объемные матрицы, обеспечивающие механический каркас живым клеткам. Благодаря оригинальному техническому и инженерному решению этот биопринтер способен создавать функциональные трехмерные тканевые органные конструкты, в настоящий момент FABION превосходит по целому ряду параметров существующие в мире коммерческие биопринтеры.
Как работает метод:
на верхней не металлизированной подложке (что позволяет избежать присутствие частиц металла в напечатанном объекте) находится гидрогель с клетками, под воздействием лазерного импульса создается ударная волна, которая переносит клетки на нижний слой, на который наносится печатаемый объект.
В сфере органо-инженерии очевидны преимущества именно лазерных технологий так, как только они позволяют работать с биоматериалом любой плотности и вязкости и достигнуть физиологической плотности клеток, что и является одной из ключевых целей биопринтинга.
Достижения, перспективы, задачи
Несмотря на перечисленные ограничения каждого метода достижения и динамичный прогресс биопринтинга впечатляют уже сейчас. В 2006 году методом нанесения клеточного материала на макет органа были напечатаны мочевые пузыри и успешно пересажены 7 пациентам.
В 2013 г. компания Organovo, специализирующаяся на биопечати органов, смогла создать ткань печени, хотя она смогла функционировать только 5 дней, этот опыт положил начало в исследовании биопринтинга тканей этого органа. Последнее достижение китайских специалистов – печеночная ткань, способная выполнять свои функции 4 месяца!
Напечатанные хрящи уже успешно прошли лабораторные испытания в Швеции, а щитовидная железа, напечатанная на российском биопринтере уже успешно была пересажена мышам.
Рис.1 Напечатанные на 3 D принтере хрящи успешно прошли лабораторные испытания в Швеции. Рис. 2 Команда специалистов лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions, которым удалось совершить первую успешную пересадку лабораторным мышам функциональной щитовидной железы, напечатанной на 3 D принтере.
Дальнейшее развитие технологии биопечати зависит от решения проблемы формирования сосудистой сетки внутри напечатанных органов, в этом направлении уже также есть определенные достижения - в Organovo получены трёхмерные микрофрагменты ткани печени из трёх типов клеток, в которых присутствует сосудистая сетка, так что в обозримом будущем можно ожидать полноценных напечатанных органов. Российские специалисты планируют выпустить первую напечатанную почку к 2030 году.
Макет сосудистого дерева почки. Пластик (по заказу лаборатории «3D Bioprinting Solutions», Москва). Источник изображения.
В завершении следует отметить, что биопечать важна не только для воплощения мечты о «вечном здоровье», когда можно с легкостью заменить «износившиеся» органы на новые, но и для токсикологии и фармакологии, которые смогут изучать эффекты лекарственных препаратов не на животных или в группах клинического тестирования, а напрямую на соответствующем органе.
Технология биопечати потенциально востребована и в индустриальном производстве мяса, кож и мехов – это более экологичный метод производства высококачественных продуктов без убийства животных. Косметические компании уже оценили возможность испытаний in vivo – компания Organovo уже печатает кожу для испытаний косметики, что позволяет уберечь, как покупателей от побочных эффектов, так и подопытных животных от негуманных испытаний во время тестирования.
Что касается перспектив развития, то помимо усовершенствования конструкции печатных механизмов и разработок идеальных субстратов с живыми клетками в биопринтинге существует ряд проблем инженерного характера, таких как разработка программного обеспечения для моделирования и управления биопечатью, увеличение разрешающей способности и скорости печатающих механизмов.
Вероятно, здесь профессиональная полиграфия может снова оказать услугу биологам и физиологам, ведь кто может понимать лучше законы падения и распределения капель, чем те, кто имеют с ними дело каждый день.
Понимая эти широкие перспективы развития отрасли компания IQDEMY в этом году открыла собственную научно-исследовательскую лабораторию, в число задач изучения которой входят и вопросы биопринтинга, в частности изучение технологии печати живыми клетками, усовершенствование инженерных решений биопринтеров, разработка программного обеспечения для моделирования объектов печати и точного трехмерного позиционирования живых клеток.
