Будущее сегодня. Печать человеческих органов на 3D-принтере. Органы на 3d принтере
Все, что вам нужно знать о 3D-печати человеческих органов
Сегодняшние 3D-принтеры способны производить шоколад, создавать обувь, машины и даже летать в космос. Однако многие ученые работают над тем, чтобы эта технология не была простым развлечением. Сейчас наука всецело вкладывает свои силы в разработку 3D-принтеров, которые будут призваны на спасение человеческих жизней, потому что они научатся печатать настоящие полноценные человеческие органы. Только представьте, что человек сможет производить органы и не ждать долгих очередей на трансплантацию. Во всем мире сотни тысяч пациентов до сих пор ждут донорские органы. Но лишь десятки тысяч из них смогут их дождаться, потому что на донорские органы стоит невероятно высокий дефицит. Что же будет с остальными? Как это ни печально, но ответ вам наверняка уже известен.
Создание машин, способных производить «запасные» здоровые и функционирующие части позволит существенно снизить очередь ожидания. К сожалению, сегодняшняя наука по-прежнему находится на ранних этапах развития этой технологии. В конце концов печать человеческих органов намного сложнее, чем печать пластиковых игрушек.
Портал Engadget подготовил статью, в которой он постарался максимально просто объяснить, что такое технология 3D-печати органов, и почему она имеет такое огромное значение для перехода медицины на новый и поистине уникальный уровень.
Что это такое?
Ученые давным-давно «заболели» идеей о выращивании органов в лабораториях, однако существенных прорывов и достижений в этих исследованиях науке удалось достичь только в конце 90-х годов прошлого века, когда всеобщее внимание привлекла биопечать. Как пишет Engadget, благодарить за это стоит ученых из Института регенеративной медицины Уэйк Форест, первых подавших идею, создавая 3D-напечатанные синтетические строительные блоки, необходимые для выращивания человеческих мочевых пузырей. Как отмечает источник, на самом деле эти ученые не печатали мочевые пузыри. Это произошло только в начале 2000-х годов, когда биоинженер Томас Боланд из Университета Клемсона начал модифицировать обычные чернильные принтеры для возможности использования в них биологических чернил и создания из них трехмерных объектов.
В 2010 году появилась одна из первых в мире компаний, занимающихся биопечатью. Ей стала Organovo. К настоящему моменту Organovo научилась печатать образцы живой человеческой печени и использует их для проверки новых лекарств и проведения новых исследований. Компания надеется, что в ближайшем будущем ей удастся создать полнофункциональную печень. Она проделала колоссальную работу над достижением этой цели, но пока еще не готова к финальному рывку.
Как это работает?
Здесь следует сразу внести ясность: несмотря на огромное различие в сложности между печатью органов и печатью обычных пластиковых предметов, оба процесса весьма похожи друг на друга. В обоих случаях используются специальные картриджи и печатные головки, которые выстреливают чернила (или биологический материал), накладывая их слой за слоем на платформу. Однако обе системы имеют несколько ключевых различий:
- Все мы знаем, как выглядит большинство наших органов, однако для возможности их воссоздания ученым необходимо сперва провести на каждом отдельно взятом пациенте КТ-сканирование или МРТ. После чего полученные данные обрабатываются в компьютере, и создается макет, который служит в качестве подсказки, куда и как необходимо слой за слоем наносить клетки.
- Вместо поливинилхлоридного пластика или металла биопринтеры используют в качестве чернил человеческие клетки того органа, который должен быть произведен. Эти клетки используются со специальным скрепляющим агентом, который позволяет создавать цельную структуру. Помимо использования клеток тех или иных органов, биопринтеры также могут использовать стволовые клетки, биоинженерные материалы (такие, как полимер альгинат, ранее использовавшийся, например, для производства ткани клапанов аорты) и другие субстанции, которые не будут отвергнуты человеческим организмом. Например, в 2012 году на 3D-принтере была создана титановая челюсть, которая впоследствии была успешно имплантирована 83-летней женщине. А с 2013 года в США живет мужчина с 3D-напечатанным черепом.
- После того как ученые печатают образец, его необходимо поместить в специальные инкубационные условия, для того чтобы клетки смогли делиться и работать сообща, как это происходит в случае настоящих живых органов.
И как раз последняя часть процесса является в большей степени причиной того, почему мы до сих пор не видим в наших больницах машин, производящих человеческие органы на замену.
В чем же проблема?
Согласно доктору Энтони Атале (руководителю группы ученых из Уэйк Форест, занимавшихся производством мочевых пузырей), проблема заключается сразу в нескольких аспектах. Первый аспект заключается в сложности поиска тех материалов, которые можно использовать для производства частей тела и заставить их впоследствии правильно расти вне тела. Вы не можете просто взять и пришить человеку только что напечатанный орган. Как уже говорилось выше, настоящие органы — это невероятно сложные механизмы. И если мы просто заставим клетки напечатанных копий этих органов делиться, то это совсем не означает, что эти клетки будут работать как и положено. Проблему комментирует биоинженер из Корнелльского университета Ход Липсон:
«Вы, конечно, можете просто правильно и в нужном месте соединить клетки сердечной ткани вместе, но где будет находиться кнопка для их включения? Сама магия заключается в печатном процессе».
Липсон также указывает, что до сих пор нет достаточно мощного программного обеспечения, которое бы подошло для создания идеальных и максимально точных моделей органов. А ведь этот этап является наиболее важным перед тем, как ученые будут приступать непосредственно к самой печати.
Помимо трудностей в создании 3D-печатных органов, чьи клетки вели бы себя как настоящие, ученые столкнулись с трудностью в воспроизводстве кровеносных сосудов. Органам нужны артерии, вены и капилляры для того, чтобы перегонять через себя кровь и доставлять питательные вещества, которые позволяют им оставаться живыми и здоровыми. Однако ввиду своей длины, толщины и формы все эти вещи очень сложно печатать.
Тем не менее никто не говорит, что ученые не стараются решить эту проблему. В этом июне, например, команда исследователей из Университета Бригама Янга использовала линейный полисахарид агарозу для производства шаблона кровеносных сосудов. Ученые из Института Фраухофера также ведут исследования в этом направлении с 2011 года. Гарвардский профессор Дженнифер Льюис занимается вопросом печати органов, которые уже бы имели специальные каналы для передвижения по ним крови и питательных веществ.
Будущее 3D-печати органов
За все время работы над этими вопросами наука все-таки смогла добиться хотя бы частичного успеха в печати органов. Частичного, потому что большинство из полученных органов оказались нефункциональными или смогли жить в течение всего нескольких дней. Например, та же компания Organovo создала миниатюрную человеческую печень, которая на самом деле могла работать как настоящая, за исключением одной проблемы — работать она могла не дольше 40 дней. Или взять ученых из Луисвиллского университета, которые успешно напечатали клапаны сердца и меленькие вены в апреле этого года. Ученые этого учреждения надеются однажды создать полноценное функционирующее сердце. Не будем забывать и о биоинженерах из Корнелльского университета, создавших искусственное (отлично работающее, кстати) человеческое ухо из живых клеток и специального геля.
Со слов Аталы, примерно 90 процентов пациентов в списке ожидающих пересадки органов стоят в очереди на новые почки. Возможно, эта невеселая статистика еще сильнее стимулировала и подтолкнула китайских ученых на разработку маленьких напечатанных почек, но которые, к сожалению, могут оставаться живыми и работоспособными только в течение четырех месяцев. Атала тоже занимается поиском способов, которые позволили бы печатать почки на 3D-принтерах. В одном из своих последних публичных выступлений на медицинской и технологической конференции TED он даже показал неработающую модель этого воссозданного органа (посмотреть можно будет на видео ниже).
Во время этой же презентации Атала поделился историей об одной операции по пересадке выращенного в лабораторных условиях мочевого пузыря. Он рассказал о будущем медицины, где специальные сканеры будут изучать глубину и сложность травм, а затем печатать новую ткань прямо на пациенте. Однако чтобы дожить до этого будущего, в котором не будет нехватки новых органов и любой нуждающийся в них человек сможет себе их позволить, знания о биопечати тканей и органов должны прочно занять свое место в медицинских школах, колледжах, институтах и университетах.
zhizninauka.info
3D-печать органов человека / Блог компании Инвитро / Хабр
Это из новой лаборатории 3D-печати органов. Спереди внушительный микроскоп, дальше видно двух медицинских инженеров за AutoCAD – делают макет площадки для формирования тканевых сфероидов.
Тут недавно открылась лаборатория 3D-биопринтинга органов (проект Инвитро). Вокруг неё творится какая-то лютая феерия непонимания того, что именно делается. В общем, хоть я и не микробиолог, но мне стало интересно. Я пробился до разработчика — В.А. Миронова. Именно он изобрёл технологию печати органов и запатентовал это в США, участвовал в разработке уже трех модификаций биопринтеров, и именно он «главный по науке» в новой лаборатории в Москве:
В.А. Миронов (M.D., Ph.D., профессор с 20-летним опытом в микробиологии, в частности, на границе с IT) — в процессе полуторачасового объяснения мне сути технологии изрисовал кучу бумаги.
В двух словах о печати он рассказать не смог, потому что сначала надо понять некоторую историю вопроса. Например, почему пришлось отбросить светлую идею растить эмбриона без головы в суррогатной матери, а затем вынимать из него почку и помещать её в биораставор для ускоренного созревания.
А пока главное. Не торопитесь пить всё что горит: до новой печени ещё очень далеко. Поехали.
Эволюция методов
Итак, сначала была генная терапия: пациенту вводились соответствующие комплексы. Выделялись определённые клетки, в них вводились нужные гены, затем клетки размещались в организме человека. Не хватало инсулина – вот ген, который продуцирует его создание. Берём клеточный комплекс, модифицируем, вкалываем пациенту. Идея – отличная, правда с одним коренным недостатком: пациент вылечивается сразу, и покупать после операции ничего не надо. То есть догадайтесь, кому это было поперёк горла. Дело шло сложно, а потом один из пациентов умер – и началась характерная для США волна судебных исков и запретов, в результате чего исследования пришлось свернуть. В итоге – метод есть, но толком не оттестирован.Дальше — тканевая инженерия – это когда вы берёте основу, кладёте на неё клетки, засовываете всё это в биореактор, на выходе получаете результат (орган), который нужен пациенту. Как протез, только живой. Вот здесь важный момент: основное отличие от протеза в том, что протез изначально из неорганики, и вряд ли когда-нибудь встроится в организм «как родной». Деревянную ногу не почешешь.
Методы тканевой инженерии бывают каркасные – когда используется выщелоченный (обесклеченный) трупный орган, который затем «заселяется» клетками пациента. Другие научные группы пробовали работать со свиными белковыми каркасами органов (доноры-люди не нужны, зато во весь рост встаёт иммуносовместимость). Каркасы бывают искусственные – из разных материалов, некоторые научные группы экспериментировали даже с сахаром.
Сам Миронов практикует бескаркасную технологию (с использованием гидрогеля в качестве основы). В его методе основа-полимер быстро деградирует и в итоге остаётся только клеточный материал. Проще говоря, сначала вставляется каркас из неограники с размещёнными клетками, а затем каркас «растворяется», и его функции берут на себя сами клетки уже подросшего органа. Для каркасов используется тот же материал, что для хирургических швов: он легко и просто деградирует в организме человека.
Тут главный вопрос – почему нужна именно 3D-печать. Чтобы это понять, давайте закопаемся ещё чуть глубже в имеющиеся методы тканевой инженерии.
Приближаемся к цели
Вообще, идея вставлять в человека заранее выращенный органический орган – отличная. Посмотрим на три варианта развития технологии:- Вы берёте каркас из неорганики, засеиваете его клетками – и получаете готовый орган. Метод грубый, но работающий. Именно про него речь в большинстве тех случаев, когда говорят «мы напечатали орган». Проблема в том, что где-то нужно взять «стройматериал» — сами клетки. А если они есть, то глупо использовать какой-то внешний каркас, когда есть возможность просто собрать орган из них. Но самая болезненная проблема – неполная эндотелизация. Например, для бронхов, сделанных так, уровень — около 70%. Это значит, что поверхностные сосуды тромбогенны – вылечивая пациента, вы сразу же привносите ему новую болезнь. Дальше он должен жить на гепарине или других препаратах, либо ждать, когда образуется тромб и эмболия. А здесь уже с нетерпением ждут юристы США, которые готовы отыграть по старому сценарию. И проблема эндотелизации пока не решена. Возможный вариант – выделение клеток-предшественников костного мозга с помощью мобилизации специальными препаратами и хомингом на органе, но это пока очень далёкая от практики фантазия.
- Второй метод крайне оригинален и очень радует своей циничностью. Берём клетку (фибробласт) пациента, добавляем 4 гена. Кладём полученную клетку в бластоцисту (зародыша животного) и начинаем выращивать зверушку. Получается, например, свинья с человеческой поджелудочной железой – так называемая химера. Орган полностью «родной», только вся инфраструктура вокруг – кровеносные сосуды, ткани и так далее – от свиньи. А они будут отторгаться. Но ничего. Мы берём свинью, вырезаем нужный орган (свинья при этом полностью расходуется), а затем убираем с помощью специальной обработки все свиные ткани – получается как бы органический каркас органа, который можно использовать для выращивания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующий лафхак: давайте заменим свинью на суррогатную мать. Тут как: кроме 4 генов в клетку добавляется ещё один, отвечающий за ацефалию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает нашего общего друга-эмбриона. Он развивается без головы, у ацефалов это хорошо получается. Затем – УЗИ, выяснение, что ребёнок получается неполноценный, и юридически-разрешённый аборт. Нет головы – нет человека, значит, никого мы не убивали. И тут – раз! — у нас тут появился теоретически легальный биоматериал с неразвитым органами пациента. Быстро имплантируем их! Из очевидных минусов – ну, кроме моральной стороны – организационная сложность и возможные юридические осложнения в будущем.
- И, наконец, есть третий метод, про который и идёт речь. Он же самый современный — трёхмерная печать органов. И именно им занимаются в новой лаборатории. Смысл такой: не нужны неорганические каркасы (клетки сами себя прекрасно держат), не нужно у кого-то брать органы. Пациент отдаёт немного своей жировой ткани (есть у каждого, в ходе экспериментов жаловались только тощие японцы), из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки. На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией. В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.
- Получение модели органа. Нужно где-то взять схему. Это довольно просто.
- Получение самих клеток. Очевидно, нам нужен материал для печати органа.
- Сборка принтера, чтобы клетками можно было печатать (куча проблем с образованием структуры органа).
- Гипоксия (отсутствие кислорода) во время создания органа.
- Реализации питания органа и его созревание до готовности.
Модель органа
Итак, берётся CAD-файл (сейчас — формат stl) с моделью органа. Проще всего получить модель, сделав трёхмерное сканирование самого пациента, а затем доработав данные руками. Сейчас текущие конструкты моделируются в AutoCAD.
Видно моделирование. 3D-структура как у обычной детали – только вместо пластика будут тканевые сфероиды.
Материал
Берётся материал – тканевые сфероиды, которыми будет идти запечатка. В качестве основы используется гидрогель, выполняющий функции соединительной структуры. Затем 3D-принтер печатает орган из этих вот тканевых сфероидов.
Первый опыт, подтверждающий, что из кусочков можно собрать целый орган: учёные разрезали на фрагменты сердце цыплёнка и срастили заново. Успешно.
Теперь вопрос – где взять клетки для этого материала. Лучшие – человеческие эмбиональные стволовые, из них можно сделать клетки для любой ткани последовательной дифференцировкой. Но их трогать, как мы знаем, нельзя. Зато можно брать iPS – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Их можно сделать из костного мозга, пульпы зуба или обычной жировой ткани пациента – и их производят различные компании по всему миру.
Схема такая: человек обращается в клинику, делает липосакцию, жировая ткань замораживается и кладётся в репозиторий. При необходимости – достаётся, из неё делаются нужные клетки (ATDSC, один такой комплекс есть в России) и затем дифференцируются по назначению. Например, из фибробластов можно сделать iPS, из них – почечный эпителий, а дальше – функциональный эпителий.
Машины для автоматического получения таких клеток производятся General Electric, например.
Центрифуга. Первый этап отделения материала из жировой ткани.
Из этих клеток формируются шарики в специальных микроуглублениях на твёрдом материале. В углубление на молде помещается клеточная суспензия, затем клетки сращиваются, и образуется шарик. Точнее – не очень ровный сфероид.
Обработка конструкционных блоков
Следующая проблема – клетки в картдидже горят желанием срастись. Тканевые сфероиды должны быть изолированы друг от друга, иначе они начнут срастаться раньше срока. Их нужно инкапсулировать, и для этого используется гиалуроновая кислота, получаемая из сыворотки крови. Её надо совсем мало – просто один тончайший слой. Она также быстро «уходит» после печати.Печать
Головка 3D-принтера имеет три экструдера: две форсунки с гелем и устройство, выдающее тканевые сфероиды. В первой форсунке с гелем – тромбин, во второй – фибриноген. Оба геля относительно стабильны, пока не соприкасаются. Но когда белок фибриноген расщепляется тромбином, образуется фибрин-мономер. Именно им как бетоном скрепляются тканевые сфероиды. При глубине слоя, соответствующей диаметру сфероида, можно последовательно наносить материал ряд за рядом – сделали слой, закрепили, перешли к следующему. Затем фибрин легко деградирует в среде и вымывается при перфузии, и остаётся только нужная ткань.Вот так будут печататься трубочки
Принтер печатает слоями по 250 микрометров: это баланс между оптимальным размером блока и риском гипоксии в сфероиде. За полчаса можно напечатать тканево-инженерную конструкцию 10х10 сантиметров – но это ещё не орган, а тканево-инженерная конструкция, «сопля» на жаргоне. Чтобы конструкция стала органом, она должна жить, иметь чёткую форму, нести функции.
Микроскоп с огромным фокусным расстоянием смотрит на стеклянный куб с 3D-принтером.
Печатающая головка. Пока идут тесты комплекса на пластике. Принтер сейчас печатает расходный материал, пластиковые приспособления-молды для создания сфероидов. Параллельно идут тесты стерильного бокса для 3D-принтера при работающем электронном устройстве.
Постобработка
Главный вопрос – это то, что клеткам, вообще-то, не плохо бы иметь доступ к кислороду и питательным веществам. Иначе они начинают, грубо говоря, гнить. Когда орган тонкий, проблем нет, но уже с пары миллиметров это важно. Правда, у слона, например, есть хрящи до 5 миллиметров – но они вмонтированы там, где создаётся большое давление из-за массы остального слона. Так вот, чтобы напечатанный орган не испортился в процессе фабрикации, нужна микроциркуляция. Это делается печатью настоящих сосудов и капилляров, плюс с помощью тончайших перфузионных отверстий, проделываемых неорганическими инструментами (грубо говоря, конструкционные блоки поступают на полимерном «шампуре», который потом вынимается).Уплотнение ткани
Тканевое объединение нескольких типов клеток без смешения
Будущий орган помещается в биореактор. Это, сильно упрощая, банка с контролируемой средой, в которой на входы и выходы органа подаются нужные вещества, плюс обеспечивается ускоренное созревание за счёт воздействия факторами роста.
Вот что интересно — архитектура органа обычно похожа на привычный по ООП инкапсулированный объект – артерия входа, вена выхода – и куча функций внутри. Предполагается, что биореактор позволит обеспечивать нужный вход и выход. Но это пока теория, собрать ещё не удалось ни одного. Но проект отработан до стадии «можно собирать прототип».
Висело в лаборатории. Видно первый этап: получение базовых элементов, второй – 3D-принтер с тремя экструдерами, третий – уход от прототипа к промышленной модели, затем испытания на животных, затем выход на IPO и установка людям.
Линия целиком — клеточный сортер, фабрикатор тканевых сфероидов, принтер, перфузионная установка
Рынки
Теперь кому всё это нужно на стадии, пока нет самих органов.Первые же крупные клиенты – военные. Собственно, как не трудно догадаться, DARPA ходит в гости ко всем учёным, занимающимся такой темой. У них два применения – испытательное (много что нельзя испытывать на живых людях, а хочется – отдельный орган был бы очень кстати) и лечебное. Например, бойцу демократии отрывает руку, а до госпиталя ползти сутки. Хорошо бы закрыть дыру, снять боль, дать ему возможность стрелять ещё 5 часов, а затем на своих двоих прийти к медсестре. В теории возможны либо роботы, которые соберут всё это по месту, либо заплатки из человеческих тканей, которые уже сейчас всерьёз думают ставить на ожоги.
Второй клиент – фарма. Там лекарства испытываются по 15 лет до выхода на рынок. Как шутят американцы, проще убить коллегу, чем мышку. На мышку надо собрать кучу документов в руку толщиной. Сертифицированные мышки получаются в результате очень дорогие. Да и результаты по зверьку отличаются от человеческих. Существующие модели испытаний на плоских клеточных моделях и на животных не достаточно ревалентны. В лаборатории мне сказали, что примерно 7% новых лекарственных формул в мире не доходят до клинических испытаний из-за нефротоксичности, выявленной на стадии преклинических испытаний. Из тех, что дошли, около трети имеют проблемы с токсичностью. Именно поэтому, кстати, одна из первых задач — проверка функциональности нефронов, сделанных в лаборатории. Ткани и органы с принтера будут существенно ускорять разработку лекарств, а это огромные деньги.
Третий клиент – госпитали. Рынок трансплантации почек с США, например – 25 миллиардов долларов. Сначала предполагается просто продавать 3D-принтеры в больницы, чтобы пациент мог получить что нужно. Следующий (теоретический) шаг – создание комплексов для печати органов прямо внутри пациента. Дело в том, что миниатюрную печатающую головку внутрь больного доставить часто намного проще, чем крупный орган. Но это ещё пока мечты, хотя нужные роботы существуют.
Вот примерно так оно должно работать
Да, здесь есть ещё одна важная тема: параллельно ведутся исследования по управлению тканевыми сфероидами за счёт магнитной левитации. Первые опыты были простые – в ткань засовывались железные «наноопилки», и сфероиды действительно летали как надо в магнином поле и доставлялись по месту. Но страдала дифференцировка. С опилками сложно выполнять нужные функции. Следующий логичный шаг – металл в инкапсулирующем слое. Но ещё круче – микроскафолды с магнитными частицами. Эти скафолды охватывают сфероид и ещё могут выступать в роли каркаса-соединителя, встающего сразу по месту, что даёт огромный простор для оперативной печати органов.
Ссылки
— Компания на Сколково — Про российскую конферению по регенеративной медицине, которую делала эта командаПачка ссылок на английском, которая рассказывает о постепенном прогрессе:
Куча бумаги, которую Миронов изрисовал за время рассказа. Почерк как у врача :)
Важные факты
- Ни один орган, напечатанный на 3D-принтере, ещё не был имплантирован человеку. Зато есть около десятка разных случаев успешной «установки» таких органов в животных.
- Миронов собрал уже три действующих 3D-биопринтера: 2 в Канаде, одни у себя в Бразилии. Новый в России должен стать лучше всех существующих.
- При сращивании сфероидов происходит компактизация ткани – например, почку придётся печатать раза в три больше, чем она будет внутри пациента – уже на последней стадии фабрикации она станет нормального размера.
- Сейчас научились делать базовые вещи, например, трубочки из разных типов ткани. После проверки функциональности клеток можно делать сложные конструкции. Например, из трубочек легко получается нефрон, а из множества нефронов – почка.
- Роботы нужны. В бронхах, например, 10 порядков ветвления – собирать это руками несколько утомительно, да и пациент не готов ждать тысячи лет. Будущее технологии быстрой печати – микрофлюидные экструдеры, которые делают до 10 тысяч капель в секунду. Вместе с быстрым роботом они могут дать отличный эффект.
- Напечатанные органы сразу атромбогенные – например, сосуды сразу же выстланы изнутри эндотелием. Это очень крутое преимущество: пациент не рискует, и ему не придётся всю жизнь сидеть на таблетках.
- Чекпоинты на близлежащую перспективу: патенты в РФ, полностью собранный принтер, статья в Science или Nature. Уже собрана международная команда ученых, в составе которой: доктор биологических наук, кандидат биологических наук, кандидат медицинских наук, доктор Ph.D.
- Первая почка будет в 2030-м году. Стоить она сначала будет как космос, но с масштабированием технологии – в разы дешевле, чем чужие органы на пересадку сейчас.
habr.com
Человеческие органы на 3D-принтере уже сегодня: 101
На 3D-принтерах с 2012 года возможно распечатать протезы и импланты опорно-двигательного аппарата человека. В клиниках США, Европы и Японии, которые впереди планеты всей по научным исследованиям в медицине, прямо сейчас экспериментируют со стволовыми клетками, дабы создавать такие части тела, которые бы стопроцентно вживлялись в человеческое тело.
Меценаты и просто бизнесмены по всему миру вкладываются в медицинскую 3D — печать, по данным исследования Grand View Research, к 2020 году объем рынка 3D-печати будет больше миллиарда долларов, сами принтеры будут стремительно дешеветь, а там рукой подать до выпуска массовых, домашних моделей.
Какие же успехи медицина может предоставить нам на текущий момент?
Череп
В марте прошлого года хирурги заменили 75% черепа человека на пластиковый протез. Отдельные кости, вроде челюстных, «вмонтировались» в голову человека и раньше, однако таких масштабов замены еще никто не производил, тем более одноэтапно и с помощью 3D — принтера.
Позвоночник
Как уже написано выше, замена позвонков и межпозвоночных дисков дело почти освоенное, однако совсем недавно китайцы осуществили новый прорыв и сделали заменили 12-летнему мальчику позвонок с опухолью спинного мозга. Материал сделали пористым, поэтому постоянно менять позвонок не придется — он просто обрастет новой костной тканью и станет неотъемлемой частью тела.
Ухо
Бионическое ухо было создано из клеток теленка, полимерного геля и наночастиц серебра. В результате медики Принстонского университета создали настоящее «ухо будущего», которое способно воспринимать радиоволны, не улавливаемые обычным человеческим ухом. По словам ученых, они вполне могут освоить «подключение» такого уха к нейронам головного мозга, чтобы он мог воспринимать услышанное.
Зародыш
Не совсем живой орган, однако, японская компания «Fasotec» при помощи магнитно-резонансного томографа печатают в прозрачном кубе, имитирующем утробу матери, точную копию вашего будущего ребенка. Выглядит одновременно и фантастично и пугающе, но пока этот насквозь коммерческий проект нравится медикам, ведь с его помощью можно будет наблюдать за правильным развитием плода, практически держа модель ребенка в руках.
Руки
Когда уроженцу Южной Африки Ричарду Ван Есу отрубило пальцы правой руки в столярной мастерской, он нашел Айвана Оуэна из Вашингтона, который создал прототипы механических рук. Вместе они основали компанию Good Enough Tech, разработали Robohands, и освоили печать «роборук» на 3D-принтере, существенно удешевив конечную стоимость продукта. Заручившись поддержкой компании Makerbot которая одолжила им и принтеры и ресурсы для печати, эти два энтузиаста помогли уже более чем 200 людям по всему миру.
Печень
Полный орган напечатать пока не удается, ввиду его сложности, однако уже в сейчас освоена печать ткани печени из гепатоцитов, звездчатых клеток и клеток эпителия. Успех этот датирован 2013 годом, так что вполне возможен научный прорыв до «распечатки» целой печени уже в ближайшее время.
Нос
Корейские врачи и исследователи успешно восстановили искусственный нос, сделанный на 3D принтере шестилетнему мальчику. Нерха, мальчик из Монголии, родился без носа и ноздрей, что крайне редко встречается. Младенцы, родившиеся без носа, могут дышать должным образом, и большинство из них умирает в течение 12 месяцев. Врачи из Сеула, куда родители привезли мальчика, создали структуру поддержки для дыхательных путей, используя технологию 3д печати. В серии операций врачи восстановили нос Нерхи. Ноздри пациента были созданы с помощью его же костной ткани. Теперь он может нормально дышать и выглядит гораздо лучше.
«Печать» человеческих органов на 3D-принтере
Если вы есть в одноклассниках, можете читать меня там в группе http://ok.ru/lol
101.livejournal.com
Органы на 3D-принтере | Здоровье и медицина
Впервые медики удачно пересадили ухо и челюсть, созданные на 3D-принтере Технология печати органов, пригодных для пересадки, может ежегодно спасать жизни. 4,5 тысяч украинцев, стоящих в очереди на трансплантацию (по данным Минздрава Украины). Кроме того, такая практика стала бы прорывом в эстетической хирургии: шанс вернуть нормальную внешность людям, потерявшим части тела (ухо, нос).
Именно ухо, а также челюстную кость, изготовленные на 3D принтере в Баптистском медицинском центр Уэйк Форест (США), впервые признали годными для пересадки человеку. Правда, пока эксперимент провели на подопытных животных. За 5,5 месяцев не произошло отторжения тканей, кроме того, сосудистая сеть в тканях разрослась, что доказывает успешность трансплантации.
В ближайшие 5 лет ученые намерены перейти к клиническим испытаниям с участием добровольцев. О том, чтобы поставить на поток пересадку сердец, почек, печени пока говорить рано, но участки кожи, костей, мышц и хрящей ученые планируют «запустить в производство» уже до 2025 г.
3D принтер вместо чернил использует клетки, окруженные гелем, который быстро распадается. «Модели для сборки» разрабатываются на основе МРТ и компьютерной томографии пациента. Для того, чтобы распечатать живую ткань, достаточно 40 мин, утверждают американские генетики.
Как сообщили в Институте нейрохирургии им Академика Ромоданова НАНУ, в Украине пока 3D принтеры применяют для моделирования черепно-лицевых операций, создания протезов, обучения будущих медиков. Такие аппараты работают только с полимерами, а не с клетками. Когда же биопринтеры станут доступны, может случиться настоящая «революция тела»: люди смогут выращивать прямо в теле органы, дублирующие больные, заменять еще здоровые, но «поношенные» части тела, усовершенствовать данные от природы конечности.
По материалам: www.likar.info
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Поделиться "Органы на 3D-принтере"
Органы на 3D-принтере
Оцените эту статьюhealth-medicine.info
— Будущее сегодня. Печать человеческих органов на 3D-принтере
Как известно, на 3D принтерах сегодня печатают многое. В медицине это достижение прогресса стало новым этапом, и совсем скоро грядут большие перемены в сфере протезирования, да и лечения заболеваний человеческих органов в целом.
На 3D-принтерах с 2012 года возможно распечатать протезы и импланты опорно-двигательного аппарата человека. Позвонки и межпозвоночные диски из пластика и резины уже сейчас довольно хорошо освоены и постепенно осваивается более сложный уровень - печать человеческих органов и частей тела на клеточном уровне.
В клиниках США, Европы и Японии, которые впереди планеты всей по научным исследованиям в медицине, прямо сейчас экспериментируют со стволовыми клетками, дабы создавать такие части тела, которые бы стопроцентно вживлялись в человеческое тело.
Чтобы вы лучше представили себе размах прогресса, можно привести данные Oxford Performance Materials, которые говорят о 450 тысячах пациентов по всему миру и инвестициях на 2 млрд. долл. Вызывает сомнение использование стволовых клеток и собственных клеток человека, однако именно такой материал полностью исключит риск отторжения.
Стволовые клетки не единственный ресурс для 3D-принтера, ученые уже работают над комбинацией пластиковых волокон и живых клеток, без которой немыслимо создание по-настоящему сложных органов. Согласитесь, одно дело распечатать протез кости, а другое - части печени или сердца.
Пока полностью такие сложные органы сделать не могут, а вот, к примеру, напечатанную кожу уже вовсю используют для пересадки в ожоговом центре США. Меценаты и просто бизнесмены по всему миру вкладываются в медицинскую 3D - печать, по данным исследования Grand View Research, к 2020 году объем рынка 3D-печати будет больше миллиарда долларов, сами принтеры будут стремительно дешеветь, а там рукой подать до выпуска массовых, домашних моделей.
Какие же успехи медицина может предоставить нам на текущий момент?
1. Череп
В марте прошлого года хирурги заменили 75% черепа человека на пластиковый протез. Отдельные кости, вроде челюстных, «вмонтировались» в голову человека и раньше, однако таких масштабов замены еще никто не производил, тем более одноэтапно и с помощью 3D - принтера.
2. Позвоночник
Как уже написано выше, замена позвонков и межпозвоночных дисков дело почти освоенное, однако совсем недавно китайцы осуществили новый прорыв и сделали заменили 12-летнему мальчику позвонок с опухолью спинного мозга. Материал сделали пористым, поэтому постоянно менять позвонок не придется - он просто обрастет новой костной тканью и станет неотъемлемой частью тела.
3. Ухо
Бионическое ухо было создано из клеток теленка, полимерного геля и наночастиц серебра. В результате медики Принстонского университета создали настоящее «ухо будущего», которое способно воспринимать радиоволны, неулавливаемые обычным человеческим ухом. По словам ученых, они вполне могут освоить «подключение» такого уха к нейронам головного мозга, чтобы он мог воспринимать услышанное.
4. Зародыш
Не совсем живой орган, однако, японская компания «Fasotec» при помощи магнитно-разонасного томографа печатают в прозрачном кубе, имитирующем утробу матери, точную копию вашего будущего ребенка. Выглядит одновременно и фантастично и пугающе, но пока этот насквозь коммерческий проект нравится медикам, ведь с его помощью можно будет наблюдать за правильным развитием плода, практически держа модель ребенка в руках.
5. Руки
Когда уроженцу Южной Африки Ричарду Ван Есу отрубило пальцы правой руки в столярной мастерской, он нашел Айвана Оуэна из Вашингтона, который создал прототипы механических рук.
Вместе они основали компанию Good Enough Tech, разработали Robohands, и освоили печать «роборук» на 3D-принтере, существенно удешевив конечную стоимость продукта. Заручившись поддержкой компании Makerbot , которая одолжила им и принтеры и ресурсы для печати, эти два энтузиаста помогли уже более чем 200 людям по всему миру.
6. Печень
Полный орган напечатать пока не удается, ввиду его сложности, однако уже в сейчас освоена печать ткани печени из гепатоцитов, звездчатых клеток и клеток эпителия. Успех этот датирован 2013 годом, так что вполне возможен научный прорыв до «распечатки» целой печени уже в ближайшее время.
Ну и вот такая новость для осмысления вам напоследок:
Технический директор компании Google Рэй Курцвейл предполагает, что уже через 5 лет 3D-принтеры будут стоять в каждой больнице, ввиду большого развития в данной отрасли и удешевлению производства. А через 15 лет будет освоена технология печати прямо внутри больного.
Дело в том, что доставить маленькую печатающую головку внутрь гораздо проще, чем орган, поэтому будущее, когда человек с плохой, скажем, почкой будет подходить к некому автомату, и под местным наркозом быстренько «распечатывать» внутри себя новую - не за горами. Курцвейл также добавил, что оборудование для такой задачи уже существует в настоящем времени.
xage.ru
Биопечать органов на 3D принтере, как это работает?
Биопечать – это относительно новое направление в развитии медицины, которое появилось благодаря стремительному развитию аддитивных технологий.
В настоящее время ученые всего мира усиленно работают над созданием многофункциональных принтеров, способных печатать работоспособные органы, такие как сердце, почки и печень.
Примечательно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны напечатать костные и хрящевые импланты, а также создать сложные биологические продукты питание, в состав которых входят жиры, белки, углеводы и витамины.
От офисного принтера к сложной биомеханической машине
Первые принтеры для биопечати были далеко не совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях.
В 2000-м году биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК.
Оказалось, что размер человеческих клеток сопоставим с размерами капли стандартных чернил и составляет примерно 10 микрон. Исследования показали, что 90% клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В 2003 году Томас Боланд запатентировал технологию печати клетками. С этого момента печать органов на 3D принтере перестала казаться фантастикой. За два десятилетия частные исследования в лабораторных условиях превратились в стремительно расширяющуюся индустрию, которой подвластны печать ушных раковин, клапанов сердца, трубок сосудов, а также воссоздание костной ткани и кожи для последующей пересадки.
В 2007 году биопечать стала приобретать коммерческие очертания. Сначала ученым удалось заполучить свыше $600000 на развитие биопринтинга, однако уже в 2011 году объемы инвестиций возросли до $24,7 миллиона в год.
Сегодня под общим названием «биопринтинг» скрываются сразу несколько косвенно связанных технологий биопечати. Для создания органов на 3D принтере могут использоваться фоточувствительный гидрогель, порошковый наполнитель или специальная жидкость.
В зависимости от используемой машины, рабочий материал подается из диспенсера под видом постоянной струи или дозированными капельками. Такой подход используется для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток – штучной кожи и хрящей. Костные испланты печатаются методом послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
От теории к практике 3D-биопечати
Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D принтере состоялся в 2006 году. Группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine разработала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри.
Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере с помощью экструдера нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела.
Через 6-8 недель в ходе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган.
Печатью органов на 3D принтере в полном объеме занимаются всего несколько компаний. Наибольших успехов на данной стези достигли инженеры американской компании Organovo, сумевшие напечатать печеночную ткань.
В 2014 году фармкомпании вложили в деятельность Organovo свыше 500 000 долларов.
Швейцарская компания RegenHu вплотную приблизилась к успехам американских коллег. Европейским разработчиком удалось создать лазерный и диспенсерный биопринтеры, печатающие биобумагой.
В свою очередь, японская компания CyFuse работает над моделированием клеточных соединений с помощью сфероидов, нанизанных на микроскопические жезлы.
Вначале 2014 года компания RCC заручившись поддержкой специалистов из Nano3D Biosciences создали первый коммерческий биопринтер. Аппарат не предназначен для печати органов, зато помогает фармацевтам исследовать медицинские препараты.
Вполне возможно, что в недалеком будущем продукция компании Rainbow Coral Corp будет повсеместно использоваться для изготовления фармацевтических препаратов.
Ученые из стран СНГ не отстают от западных коллег. Недавно в России успешно завершились биологические исследования, инициированные компанией «3Д Биопринтинг Солюшенс».
Бионженерам удалось напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Штучный орган, напечатанный на принтере, успешно пересадили подопытной мыши. В ходе эксперимента использовался инновационный 3D-принтер 3DBio.
В ноябре 2014 мир всколыхнула новость о том, что специалистам компании Organovo удалось напечатать печень на 3D принтере. На этот раз американские ученые успешно воссоздали рабочую человеческую ткань, которая сохраняла свои способности в течение 5 недель.
Напечатанный орган предназначался для тестирования лекарственных препаратов, однако изобретали не отрицают, что в скором времени приспособят свое оборудование для создания донорских органов.
Пока же фармацевтические компании используют полученный в лаборатории Organovo материал для испытания экспериментальных фармацевтических составов.
Такой подход позволит производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики.
В пресс-центре компании-производителя говорят, что в ближайшее пятилетие Organovo и ее партнеры собираются освоить рынок трансплантатов.
Биоинженеры уже напечатали на 3D принтере жизнеспособные почки, которые сохраняют свои функции в течение двух недель. Также компания производит коммерческую почечную ткань – ее могут купить фармацевты для изучения перспективных медицинских составов.
Биоткань получила название exVive3D tissue.
Биопечать развивается быстрее, чем прогнозировалось. Тем не менее, используемые технологии далеки от совершенства. Другое дело медицинские импланты.
Инженеры научились моделировать и воспроизводить самые разные элементы человеческого костного каркаса – искусственные фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки.
Костные импланты изготавливаются методом селективного лазерного спекания из нитинола (никилид титана) – высокопрочного материала, напоминающего по своему биохимическому составу костную ткань. В ходе печатного процесса используются 3D модели, полученные благодаря компьютерной томографии.
Не меньшей популярностью пользуются протезы из полимеров. Протезы кисти нельзя назвать органом, зато простота, с которой нуждающиеся могут получить механизм, позволяющий вернуть их к нормальному образу жизни, заслуживает внимания.
Источник: http://make-3d.ru/articles/biopechat-organov-na-3d-printere/
blog.aksimed.ua
Печать органов на 3d принтере
Биопринтинг — технология будущего
Биопринтинг – это печать тканей и органов человека с помощью медицинских 3D-принтеров. Еще несколько лет тому назад эта технология казалась немыслимой, нереальной, фантастической, но уже сегодня она бурно развивается в двенадцати странах мира, в том числе и в России.
На международном форуме «Открытые инновации» российская лаборатория «3D Bioprinting Solutions» представила свою разработку – первый отечественный биопринтер FABION для печати тканей и органов из тканевых сфероидов.
Руководитель лаборатории, профессор Владимир Миронов
Руководителем лаборатории является один из основателей биопринтинга в России, признанный авторитет в этой области, профессор Университета Вирджинии (США) Владимир Миронов. Персонал лаборатории состоит из квалифицированных биоинженеров, прошедших стажировку в ведущих научных центрах мира. «Опыт нашей лаборатории показывает, что российские головы и руки не так плохи», – шутит Миронов и буквально на глазах начинает генерировать идеи использования биопринтинга, параллельно объясняя суть технологии.
Сущность биопечати
Технология трехмерной печати за последние годы была отработана и поставлена на коммерческие рельсы. Медицинский вариант 3D-печати – биопечать органов – пока развивается относительно медленно, но это временное явление. В основу технологии положена идея формирования тканей и органов из особых клеточных кластеров (сфероидов), которые последовательно распыляются 3D-принтером на биобумагу (гидрогель). Клетки удерживаются внутри таких кластеров благодаря клеточной адгезии. Формирование органа происходит в 3D-принтере, который выстреливает сфероидами по гидрогелю словно чернилами.
«Каждый из нас на этапе эмбрионального развития имел две аорты, которые впоследствии превратились в одну. Следовательно, слияние является нормальным процессом развития, – поясняет Владимир Миронов. – Наше устройство использует способность эмбрионов к слиянию тканей. Это не магия, это эволюция в микромасштабе».
Первый отечественный биопринтер FABION
Сначала биоинженеры создают объемную цифровую модель будущего органа с множеством тончайших срезов, после чего готовая модель передается на принтер, который помещает сфероиды в гидрогель в соответствии с заданным программой алгоритмом.
Тканевые сфероиды, расположенные в вертикальной и горизонтальной плоскости, под действием сил поверхностного натяжения, миграции и перегруппировки сливаются, словно капли масла в воде. В результате формируется трехмерная основа.
Биочернила для медицинской печати культивируются для каждого органа отдельно, из стволовых клеток пациента. Три группы российских ученых из Москвы, Санкт-Петербурга и Новосибирска уже научились выделять из подкожного жира индуцированные полипотентные стволовые клетки.
Технология, разработанная в России, выгодно отличается от зарубежных аналогов тем, что обходится без донорских органов, клеточного материала и каркасов. Самое сложное на современном этапе развития биопринтинга – обеспечить стерильные условия процесса. Биопринтер помещают в стерильный бокс, в котором создается оптимальная среда для работы с живыми клетками. Напечатанные органы могут несколько дней сохранять свою жизнеспособность в перфузионном биореакторе, в специальном растворе.
Возможности биопечати
С помощью 3D-биопринтеров ученым уже удалось напечатать фрагменты кожи, хрящи и сосуды, и испытать их на животных. Для создания более сложных органов необходимо формирование сосудистой сетки (васкуляризация). Ученые планируют встроить сосудистую сетку в орган прямо на этапе биопечати с использованием все тех же тканевых сфероидов. Свойства сфероидов зависят от клеток, из которых они созданы. Если это клетки эпителия, то сфероиды становятся однородными, а если эндотолиальные клетки, то сфероиды становятся люминизированными, с просветом для будущей кровеносной системы. Таким образом, трехмерная печать позволяет использовать различные тканевые сфероиды и собирать из них сложные органические структуры.
«Я не могу сказать, когда мы напечатаем почку. Теоретически на 3D-принтере можно напечатать любой орган.
3Д печать органов
Наверное, в не столь отдаленном будущем это будет именно так, – признается Миронов. – Но если мы создадим что-нибудь попроще, чем почка, то уровень нашей самооценки станет довольно высоким, и мы сможем напечатать почку значительно раньше, чем предполагаем сегодня».
Вот еще одно применение биопечати. С возрастом волосы на голове редеют. С помощью 3D-принтера можно напечатать недостающие луковицы. Сначала необходима биофабрикация луковиц, затем печать волос прямо на голове пациента. В косметологии с помощью биопечати можно устранять морщины, используя аутологичные клетки. 3D-биопринтинг найдет свое применение и в стоматологии, здесь он позволит печатать трехмерную костную ткань из васкуляризированных тканевых сфероидов.
Миронов мечтает запустить первый биопринтер в космос. Но если говорить о более реальных целях и задачах, то сегодня сотрудники лаборатории заняты созданием ручного 3D-принтера типа «биопен», который станет надежным помощником для хирурга. Также планируется выпуск бесклеточной матрицы для «заплаток» на коже, в глазах, на зубах и других органах и тканях человека. «Это все та же клеточная технология с использованием сфероидов, — рассказывает Миронов. – Если убить все клетки – получится бесклеточная матрица, которую гораздо проще вывести на рынок. К сожалению, в России нет законов, которые бы регулировали использование стволовых клеток. Мы же хотим действовать открыто, не нарушая закона, и производить продукт со сроком хранения до двух лет».
Дистанция от зарождения идеи до получения патента обычно составляет 15-20 лет, а вот стоимость любого продукта высоких технологий со временем снижается, порой в тысячи раз.
По некоторым прогнозам, 3D-биопринтеры будут постепенно дешеветь. Современные принтеры для трехмерной печати можно купить за 1000-2000 долл. США, завтра то же самое может произойти с биопринтерами, цена которых сегодня колеблется в пределах от 150000-200000 долл. США до миллиона. В мире уже продано десять коммерческих биопринтеров.
3D-биопринтер NovoGen MMX, разработанный Organovo
«Российский биопринтер по ряду функций и показателей лучше своего прямого конкурента – американского биопринтера Organovo. Наша задача – создать самый лучший в мире принтер для биопечати и удерживать лидерство в данной сфере: первыми получить патент (мы уже подали заявку), опубликовать статью в Science, а потом приступить к тестированию напечатанной щитовидной железы. Да, дамы уже готовы с помощью своего 3D-биопринтера напечатать функционирующую щитовидную железу, это произойдет в марте будущего года, – заявляет Миронов. – Щитовидка – это самый простой орган, поэтому мы решили начать именно с него. Между прочим, щитовидная железа стала первым органом, который был пересажен человеку. Это случилось в 1883 году».
Перспективы биопринтинга
Самый главный вопрос, который волнует современных биоинженеров – каковы перспективы биопринтинга, как он будет развиваться дальше? Владимир Миронов дает следующий прогноз: «Через несколько месяцев мы напечатаем трехмерную щитовидную железу. Но не человеческую, а мышиную или крысиную. Чтобы создать человеческий орган и провести клинические испытания, нужно пройти сложную систему сертификации. В США стволовым клеткам посвящено 20 томов научных трудов, и это только протоколы испытаний. Огромный объем работы – вот что самое сложное. Никому не хочется отвечать за риск, безопасность – превыше всего».
Если внедрение продуктов биопринтинга растянется на долгие годы из-за несовершенства законодательства и отсутствия соответствующих стандартов, то возникает закономерный вопрос: «Когда пациенты смогут использовать продукты 3D-биопечати?». По оптимистическим прогнозам клинические испытания, которые выведут разработку на уровень практики, начнутся в течение 10-15 ближайших лет. Срок довольно большой, но приемлемый с точки зрения совершенствования технологии, которой предстоит, по сути, поспорить с природой, и раз и навсегда решить проблему дефицита органов для трансплантации.
rpilot62.ru
