Реферат биопринтинг медицине основные аспекты применения в мировой медицине

Обновлено: 30.06.2024

Каждый день почти два десятка человек умирает из-за нехватки донорских органов; каждые десять минут в лист ожидания на трансплантацию добавляется новое имя. Только в США более 114 тыс. человек ожидают донорские органы для пересадки, и большая часть из них – пациенты с почечной недостаточностью, которым требуется новая почка. К этому можно добавить, что период ожидания такой операции может достигать 10—15 лет, поэтому неудивительно, что почти четверть ожидающих очереди на трансплантацию умирают, ее не дождавшись.

Нехватка доноров – серьезнейшая медицинская проблема, причем тенденция такова, что доноров становится все меньше, а пациентов, которым требуются донорские органы, – все больше. Кроме того, пересадка той же почки означает для реципиента пожизненный прием лекарств, подавляющих иммунитет, а это делает людей более восприимчивыми к болезням и может приводить к онкологическим заболеваниям. Существующая альтернатива трансплантации почки – регулярный гемодиализ, очистка крови с помощью искусственных фильтров, процедура неприятная и дорогостоящая.

На сегодня существует несколько путей выхода из этой ситуации, однако практически все они имеют ряд серьезных недостатков.

Инжиниринг органов

Но и при такой технологии остается риск иммунного отторжения; кроме того, при использовании органов животных всегда существует опасность передать человеку вирусы этих организмов.

Идее самосборки – сто лет

Технология биопринтинга базируется на известном явлении самосборки (направленной самоорганизации) клеточных структур. Этот процесс, управляемый силами поверхностного натяжения и межбелковыми взаимодействиями, повсеместно встречается в живом мире, начиная от формирования клеточных мембран и заканчивая образованием органов у эмбриона.

Технология книгопечатания в современном ее понимании была разработана в середине XV в. немецким ювелиром и гравером Иоганном цум Гутенбергом, прирожденным предпринимателем и изобретателем. Пять наиболее важных элементов технологии книгопечатания Гутенберга включают в себя текст, бумагу, чернила, съемные металлические литеры и печатный пресс. По аналогии с книгопечатанием технология биопечати включает в себя: виртуальную модель органа (аналог текста), тканевые сфероиды (аналог чернил), гидрогель (аналог бумаги), картридж, заправленный тканевыми сфероидами (аналог литер) и, наконец, аналог печатного пресса – биопринтер.
Существует два типа биопечати: аналоговая и цифровая. Аналоговая биопечать – это непрерывное распыление биобумаги (гидрогеля) с тканевыми сфероидами. При цифровой печати происходит дискретное или каплеобразное распыление

Идея биопринтига родилась из предположения, что такие процессы самосборки тканей можно воспроизводить in vitro, т. е. вне живого организма. Первооткрывателем этого феномена в конце XIX в. стал немецкий профессор анатомии Г. Борн. Однажды вечером Борн препарировал головастика, но ему пришлось прервать работу из-за ужина, чем профессор был немало раздосадован. Борн вернулся к работе только на следующий день и был очень удивлен, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись. А в 1907 г. американский морской биолог Г. В. Вильсон обнаружил спонтанное сращивание тканей морских губок.

Базовая методика биопринтинга аналогична уже хорошо отработанной технологии послойного формирования различных трехмерных объектов из металла, керамики или полимеров на основе виртуальной трехмерной компьютерной модели, только в качестве строительных блоков при этом используются живые объекты.

От клетки – к органу

Таким образом, стало технологически возможным производить цельный внутренний орган, снабженный сосудистой сетью. Но для создания полноценного органа, пригодного для трансплантации, требуется усовершенствовать так называемую пост обработку ткани или органа.

Биореакторы для тканевой инженерии устроены гораздо сложнее, ведь клетки в них должны не только расти и нарабатывать какое-то целевое вещество: такие устройства предназначены для формирования полноценной ткани или даже целого органа. Для этого в питательную среду в строго определенном соотношении добавляют вещества, которые стимулируют размножение, дифференцировку и созревание тканей или тканево-инженерных конструкций.

Судя по последним данным, для этого требуется не только конкретное химическое окружение, но и определенное механическое воздействие (вибрации, растяжения и т. п.). По сути, нужно как можно точнее воспроизвести естественные условия, в которых происходят процессы формирования каждой ткани, лишь тогда в биореакторе удастся воспроизвести полноценный орган.

От сортировщика до биореактора

Однако реальный прорыв в развитии биофабрикации тканевых сфероидов, очевидно, будет связан с применением так называемой цифровой микрофлюидики – совокупности технологий, основанных на микроманипулировании изолированными каплями (так работает, к примеру, обычный струйный принтер). Эта технология позволит генерировать до 10 тыс. тканевых сфероидов в секунду, что даст возможность создавать сложные составные сфероиды. Работы над созданием такого генератора тканевых сфероидов активно ведутся.

Итак, технология искусственного производства живых органов на сегодня принципиально разработана, создано и выпускается необходимое оборудование. Однако биопринтинг органов до сих пор остается уделом исследователей: применение этих технологий в клинике нигде в мире пока официально не разрешено.

Для этого сегодня имеются все необходимые предпосылки, и нет сомнений, что именно трехмерной печати органов предстоит в недалеком будущем сделать решающий, революционный прорыв в регенеративной медицине.

В России сегодня более 20 тыс. человек страдают почечной недостаточностью и буквально прикованы к аппарату искусственной почки, при этом ежегодные затраты на одного пациента, нуждающегося в процедуре гемодиализа, составляют свыше 2 млн руб.

Число пациентов с потребностью в гемодиализе в России ежегодно увеличивается примерно на 6 тыс.человек, тогда как в 2009 г. было осуществлено только 820 трансплантаций донорской почки

Martin I., Wendt D., Heberer M. The role of bioreactors in tissue engineering. Trends Biotechnol. 2004 Feb; 22(2):80–6.

Mehesz, Brown J., Hajdu Z. et al. Scalable robotic biofabrication of tissue spheroids // Biofabrication. 2011 Jun; 3(2):025002. doi: 10.1088/1758–5082/3/2/025002. Epub 2011 May 12.

Song J. J, Guyette J. P., Gilpin S. E et al. Regeneration and experimental orthotopic transplantation of a bioengineered kidney // Nat Med. 2013 May; 19(5):646–51. doi: 10.1038/nm.3154. Epub 2013 Apr 14.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

по информатике

Выполнили: студентки 1 курса

Руководитель: Дмитренко Р.Ф.

г.Сатка, 2018

Хирурги, занимающиеся пересадкой человеческих органов, надеются, что однажды они смогут по первому запросу получить все необходимые для пересадки органы. Сейчас пациент может провести несколько месяцев, а возможно и лет, в ожидании органа от подходящего пациента. На протяжении этого времени его состояние может ухудшиться. Он может даже умереть. Благодаря искусственным органам, можно было бы не только облегчить страдания пациентов, но и сохранить человеческие жизни. Теперь, с появлением первого коммерческого 3D-принтера для печати органов, эта возможность может стать реальностью. Таким образом, 3 D -принтер дает людям надежду на жизнь!

Цели и задачи:

1. Узнать, что такое 3D-принтеры и понять, как происходит 3D-печать.

2. Рассмотреть виды 3D-принтеров и узнать сферы их использования.

3. Познакомиться с программами 3D-моделирования

Первые 3D-принтеры имели малую мощность, работали медленно, а при увеличении скорости изделия получались с большими погрешностями. Только в 2005 году появились 3D-принтеры с высоким качеством печати. В 2008 году был запущен принтер Reprap, способный производить самого себя. На тот момент он мог изготавливать около 50% необходимых деталей. До 2008 года любой 3D-принтер мог работать только с использование одного вида расходного материала — пластика АВС. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Но компания Objet Geometries Ltd. разработала принтер Connex500, который мог работать с различными видами материалов одновременно. Сейчас количество материалов перевалило за сто. Сегодня можно использовать такие материалы, как: акрил, гидрогель и др.

В последние несколько лет технологии 3D-печати развиваются с космической скоростью и теперь используются и в медицине, таким образом, о котором мы раньше и подумать не могли. Список объектов, которые успешно создаются с помощью технологии трехмерной печати и который мы хотим вам представить, демонстрирует огромный потенциал-это индивидуальные, 3D-печатные части тела спасали жизни людей, можно было "напечатать" искусственные челюсти, биорезорбируемую шину для дыхания, части черепа и многое другое. Также печатались некритические для жизни элементы тела.

Зачем заниматься трансплантацией органов, если их можно просто распечатать на 3D-принтере? Этим вопросом Энтони Атала задался ещё в 2010 году и сегодня он продолжает исследования в сфере регенеративной медицины. Талантливый медик может извлечь из организма больной мочевой пузырь, вырастить новый и пришить его на место старого. В последнее время профессор фокусируется на печати органов при помощи 3D-принтера и совсем недавно провёл эксперимент по воссозданию почки, пригодной для трансплантации. Эксперимент был удачным.

Ни для кого не секрет, что клетки можно распечатать на 3D-принтере. Теперь учёным не нужно ставить эксперименты на животных, а просто испытать влияние того или иного заболевания на распечатанных аналогах. Сегодня многие доктора посвящают себя поиску вакцины против рака. При помощи устройства трёхмерной печати они воссоздают раковые клетки, которые выращивают и изучают. Таким образом, 3D-принтеры помогают врачам исследовать эту опасную болезнь.

Человеческий скелет является очередным предметом внимания медицинских работников, которые проводят исследования в сфере печати клеток на 3D-принтерах. Профессор из Германии, который сумел воссоздать кожу при помощи устройства для трёхмерной печати, также распечатал человеческую кость.

Если бы 3D-принтеры смогли печатать кожу, то оперировать было бы намного легче. Ведь чтобы найти донора, требуется достаточно много времени, а устройство для трёхмерной печати сможет воссоздать ткань за пару часов. Конечно же, девайс для печати кожи уже был создан. Ученые идут дальше и предпринимают попытки распечатать кровеносные сосуды и фрагменты сердечной ткани.

3D печать уже не ограничивается неорганическими материалами, как полимеры и металлы. Она была адаптирована для построения живых, биологических систем. Слой за слоем клетки, отделившись от головок принтера, могут быть размещены именно там, где надо с точностью до микрона. Изначально продемонстрировав на простых компонентах, таких как кровеносные сосуды и ткани, разработчики биопечати смогли сочетать более сложные и большие структуры. В конце концов, первый целый орган был разработан с достаточным количеством питательных веществ, кислорода и вектором роста, чтобы лабораторная мышь смогла выжить.

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, пациент вылечивается сразу.

Тут главный вопрос – почему нужна именно 3D-печать. Чтобы это понять, давайте закопаемся ещё чуть глубже в имеющиеся методы тканевой инженерии.

2.1 Приближаемся к цели

2. 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.

2.2 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.

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 I PS – 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 I PS, из них – почечный эпителий, а дальше – функциональный эпителий. Машины для автоматического получения таких клеток производятся General Electric. 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.

2.3 Печать

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. 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.

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.

Важные факты и первые крупные клиенты.

Это – военные , затем госпитали.

1.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.

2. 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.

– Что такое биопечать (биопринтинг)?
– Это революционная технология, которая начала развиваться еще в третьей промышленной революции, а сейчас мы стоим у истоков четвертой.

Символом третьей промышленной революции является трехмерный принтер. Биопринтинг — следующая эволюционная ступень той же самой трехмерной печати. Трехмерная печать позволяет создавать трехмерные объекты из неживых материалов: сейчас печатаются дома, одежда, обувь, машины, импланты, ювелирные украшения. К трехмерной печати можно частично отнести пищевую промышленность, потому что еду тоже печатают — те же кондитерские изделия или пиццу. Пищевую индустрию с биопринтингом связывает исключительно работа с клетками: стейк печатают из клеток животных.

Биопринтинг — печать, создание трехмерных объектов из живых материалов. Основная зона применения — медицина и фармацевтика (фарма). В медицине это частичное или полное восстановление утраченного или поврежденного органа или ткани. В фарме — создание небольших кусочков, трехмерных конструктов для испытания фармацевтических и косметологических препаратов. Это становится все более актуально, если судить по развитию законодательной базы в Европе, где запретили испытывать косметические препараты на животных. Компании разных стран активно инвестируют в трехмерную печать для фармацевтической отрасли, например, L’Oréal, Procter&Gamble, BASF и другие. Ужесточение законодательства в сфере проведения испытаний на животных и другие факторы открывают нишу биопринтинга для фармы. Преимущественно потребность растет в научной сфере, но первые коммерциализации произошли, уже есть поставщики небольших кусочков трехмерных конструктов для тех или иных компаний, в основном это рынки США и Европы.

В России тоже есть много заинтересованных компаний из числа фармацевтических, но пока я не могу их назвать — у нас заключено соглашение. Единственное, что могу сказать: к нам приходят компании из фармацевтической отрасли и вместе с нами работают над созданием либо больных (патологических) тканей для проверки эффективности тех или иных препаратов, либо здоровых для тестирования фармацевтических препаратов или косметических средств. Дело в том, что фармакологические компании терпят колоссальные убытки, когда уже на стадии клинических испытаний, то есть когда препарат тестируется на людях, вдруг проявляется, например, нефротоксичность, то есть препарат вреден для почек. Нефротоксичность происходит примерно в 20% случаев. Это потерянные деньги.

Что происходит дальше? Препарат забирают на доработку, затем опять идут тесты на мышах, потом на людях, а потом снова ждем результат: будет ли этот препарат показывать такое же нехорошее влияние на почки или не будет.
Чтобы минимизировать эти риски, многие компании, в том числе фармацевтические, инвестируют средства в разработки трехмерных тканей и работают с такими поставщиками, как мы, например, которые могут разработать трехмерный конструктор для проверки и уточнений до запуска клинических испытаний.

В настоящее время лаборатория приступила к созданию биопринтера нового типа (формативная биопечать), который не будет использовать аддитивную (послойную) сборку. Кроме того, мы создали первый в мире функциональный конструкт щитовидной железы мыши и приступили к работам над созданием щитовидной железы человека.

– Какие еще направления в биопринтинге будут развиваться?
– Тренды биопринтинга нам ясны: увеличение количества материалов, из которых можно будет печатать, уменьшение размеров печатающего устройства, увеличение скорости печати и стремление сделать устройство более user-friendly.
Еще одно направление — принтер, который сканирует и замещает раны, то есть печатает кожу. Вполне возможно, что более глубокие раны тоже начнут лечить, а это несколько типов тканей и клеток. Такой принтер очень внушительный, он бы занимал половину небольшой комнаты.
В будущем все это будет компактно, будет работать очень быстро и с бо́льшим типом клеток. Процесс будет состоять из следующих этапов. Сначала сканируется или определяется замещаемая область, затем создается цифровой макет для воссоздания ткани или органа, то есть заготовка биоматериала. Потом непосредственно печать и все, что связано с реабилитацией, если печать in vivo, то есть непосредственно в человеке — это тренд будущего, — либо дозревание воссозданного органа в биореакторе, если он не был напечатан на/в человеке.

– Есть какие-то образовательные программы или специальные медицинские классы, где можно больше узнать о биопринтинге?
– Сегодня наша лаборатория 3D Bioprinting Solutions проводит образовательные мероприятия для студентов и школьников. Я недавно читала лекцию в обычной средней школе, где учится мой сын. 2–3 раза в год мы проводим экскурсии для школьников.

Стажировка или практика не оплачиваются. Студентам предоставляется уникальная возможность написать и защитить свою работу перед светилами биопечати. В прошлом году мы проводили конференцию по биопринтингу, и к нам приехало много международных гостей, светил науки в области биопечати. К примеру, в прошлом году работы стажировавшихся у нас студентов принимали Ph.D., доктор философии, адъюнкт-профессор Медицинской школы Стэнфордского университета, руководитель лаборатории биоакустических и микроэлектромеханических систем в медицине Уткан Демирчи, кандидат наук, инженер, изобретатель самого маленького в мире биопринтера Клаус Штадлман вместе с научным руководителем лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions В.А. Мироновым. Студентам мы показывали все этапы работы с материалами, печать на принтере. А практику они начинают с создания для себя инструмента: создают на обычном 3D-принтере полуавтоматическую пипетку, а дальше учатся основам биопечати.

Что будет дальше? Мы беседовали с вузами и надеемся, что один из федеральных вузов даст ответ на наше предложение о совместной системной работе по образованию студентов в сфере биопечати. Мы готовы работать в этой отрасли. Это уже будет коммерческое направление с нашей стороны, мы в таком случае сможем выделить дополнительный ресурс под эту задачу и заниматься ей системно.

Теоретически лаборатория 3D Bioprinting Solutions могла бы заняться разработкой методологии и образовательной программы. Лаборатория приобрела серьезный опыт в инженерии и способна снабжать академические структуры биопринтерами, на которых студенты получали бы практические навыки.

– Что можно ребенку почитать/посмотреть, чтобы больше узнать о биопечати?
– Можно посмотреть анимацию, лучше, конечно, с объяснениями специалиста. Мы создаем различного рода анимационные и документальные фильмы, чтобы объяснить простыми словами, что такое трехмерная биопечать — пара роликов есть у нас на сайте. И есть несколько фильмов, на которых можно увидеть биопринтер, демонстрационную печать и как это происходит.

Более глубокое изучение темы — здесь адаптированных для школьников материалов нет. Скорее всего, школьнику нужно просто объяснить, в каком состоянии сейчас отрасль и куда она развивается.

– А какие профессии будут востребованы в медицине, фарме, биопечати через 10–15 лет?
– Биопринтинг — это цифровая технология: чтобы напечатать орган, нужно сначала создать его цифровой макет. Значит, нужны дизайнеры — люди, которые умеют работать в графических редакторах, создавать точнейшие цифровые объекты. Этот дизайнер будет иметь специальное образование, например, для трехмерной индустрии. Либо он будет работать в команде людей, которые имеют специальные знания, либо он будет совмещать специальности, например, как дизайнер органов. Базовыми предметами для него будут анатомия, биология, физика, математика, потому что цифровой макет должен учитывать физические и математические параметры. Если взять почку или другой орган, то цифровой макет, созданный для печати, в разы больше того органа, который получится. Потому что печатается сначала орган с учетом диаметра всех сфероидов (сфероид — это строительный блок, который включает в себя много клеток, которые потом начинают сливаться естественным образом, срастаться друг с другом), соответственно живой орган значительно меньше в размерах, чем цифровой. Это все должно быть учтено при создании цифрового макета. Дизайнер должен понимать, как срастается орган, как и когда сжимается, сколько процентов занимает вода, как скоро она уходит и другие особенности создания органов.

Впрочем, ему может хватить образования дизайнера плюс знаний биологии и анатомии. Думаю, что этого достаточно, потому что всего знать точно не нужно, это командная работа.

Еще один специалист — тканевый инженер. Это человек, который умеет с помощью других лиц и оборудования создать под параметры пациента необходимый конструкт или ткань, подсадить этот конструкт будущему владельцу. По образованию это медик, скорее хирург. Плюс он понимает, как работает оборудование, которое создает те или иные ткани путем трехмерной печати.

Обобщая: нужны те, кто создадут цифровой макет, поймут, какой орган или ткань для какого человека нужно воссоздать, затем имплантируют созданное в человека и проконтролируют процесс заживления. Имплантация — очень важный аспект в трехмерной печати, так как в данном случае не происходит иммунного ответа, то есть отторжения органа, ведь в идеале в технологии предполагается использование собственных клеток пациента.

Если говорить о дисциплинах для такого рода специалистов — это математика, физика, биология, медицина, химия, материаловедение, IT, навыки работы с цифровыми объектами и инженерия, потому что мы работаем с техническими устройствами.

– Продолжая разговор о будущих профессиях: как видоизменится профессия медика?
– Врачей будет все меньше и меньше, но их роль возрастет. Один врач будет вести много пациентов от начала до конца, включая их семьи. Это в лимите 20 лет.

Мир становится более персонализированным, так как развивается генетика, она же провоцирует развитие евгеники (евгеника — учение о селекции применительно к человеку, а также о путях улучшения его наследственных свойств — прим. сайта), появляется много новых открытий и разработок в медицине. Врач становится персональным, он должен знать о человеке все. Это тот же терапевт, но с более широкими знаниями и с акцентом на конкретного человека. Врач знает все про твое здоровье, здоровье твоей семьи. По сути это семейный врач. Кстати, очень близкие профессии есть в спортивной медицине.

Останутся хирурги, просто благодаря появлению нового оборудования они смогут проводить все больше операций удаленно. Ну и часть забот по нехватке тех или иных тканей снимет биопечать, эта технология призвана закрыть этот вопрос донорства. А это сейчас существенная проблема. Если посмотреть на статистику, то только в Китае полтора миллиона человек прямо сейчас ожидают того или иного органа. У хирургов, надеюсь, в будущем появится возможность пользоваться тканями, созданными из клеток самого пациента.
Но в итоге врачей станет меньше, потому что произойдет автоматизация этой области и роботизация, замена человека на роботов. Это произойдет во всех индустриях: в гостиницах, ресторанах, например, барах, где вместе бармена роботические руки разливают напитки, а роботы-носильщики уже замещают низкоквалифицированный персонал.

Что касается медперсонала, то медицинской сестры, которая сидит и записывает за врачом, не будет. Данные будут стекаться в устройство, интерпретироваться, и ответственность за эту интерпретацию будет нести персональный врач пациента, он же врач общей практики. И дальнейшие рекомендации будет выдавать он. Пациенты станут более образованны, они будут вынуждены разделять ответственность за собственное здоровье, потому что они будут вовлечены в процесс снятия и отправки данных о собственном здоровье. Некоторые параметры однозначно станут областью ответственности самого человека. Значимое место в управлении здравоохранением, вполне возможно, займут пациентские организации.

Однако медицинская сестра не исчезнет. Забота о своем здоровье уйдет домой, и домашний госпиталь — это тот формат, который будет существовать в будущем. И роль медицинской сестры в выздоровлении пациента здесь и проявит себя как более значимая.

Технология, с помощью которой люди могли бы печатать других людей, воспринимается как фантастика. В ближайшей перспективе — так оно и есть. Но ученые уже научились воспроизводить кожу, ткани и внутренние органы. 3D-биопринтинг — это и есть печать человеческих органов и новая веха в медицине.

Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.

Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.

Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.

Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.

Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.

Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.

Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.

Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.

Как это работает

Стандартные принтеры работают в двух измерениях: текст или изображение наносится на плоскую поверхность с использованием размеров Х и У — горизонтальный и вертикальный. Для печати в трехмерном пространстве добавляется Z — глубина.

Во время работы 3D-принтера головки перемещаются влево, вправо, вперед и назад, а также вверх и вниз, то есть в трехмерном пространстве. Вместо чернил 3D-принтер использует полимеры, металл, карамику, шоколад и другие материалы.

Сначала в программе для моделирования создается план предмета в цифровом формате и отправляется на печать. 3D-принтер разогревает материал и считывает план. Параллельно с этим головка перемещается в пространстве и слой за слоем воссоздает предмет.

После печати каждый слой охлаждается и твердеет. Это нужно, чтобы следующий слой печатался точно поверх предыдущего. Только так можно создать прочный предмет с подвижными соединениями.

Эта же технология легла в основу биопринтера. Отличие одно — материал. Последний использует биоматериал с добавлением живых клеток: например, для печати кровеносных сосудов и кожных тканей. Образцы клеток берутся у человека, для которого выполняется печать, и культивируются до нужных размеров. Иногда в роли чернил выступают стволовые клетки, свиной коллагеновый белок и морские водоросли (из которых получают полисахарид агароза).

Еще один вариант: хитозан — это полисахарид, получаемый либо из моллюсков, либо путем брожения грибов. Очевидные плюсы — высокая биосовместимость и антибактериальные свойства, минус — низкая скорость гелеобразования.

Как и для обычного принтера, биопринтеру нужен проект, на основе которого он будет печатать. Такие проекты создаются в специальных программах по результатам сканирований и МРТ. Чем точнее проект, тем больше вероятность, что головки принтера попадут в нужную точку. Воссоздание органического проекта с тонкими слоями занимает от нескольких часов до суток.

Идее самосборки — сто лет

Технология биопринтинга базируется на явлении самосборки клеточных структур. Этот процесс, управляемый силами поверхностного натяжения и межбелковыми взаимодействиями, встречается в живом мире, начиная от формирования клеточных мембран и заканчивая образованием органов у эмбриона. Иными словами, этот процесс вы наблюдаете, когда заживает царапина или порез на руке.

Идея биопринтига родилась из предположения, что такие процессы самосборки реально воспроизвести вне живого организма. Впервые это предположение было высказано в конце XIX века немецким профессором анатомии Г. Борном после того, как он столкнулся с любопытным явлением. Однажды вечером Борн препарировал головастика, но работу пришлось прервать из-за ужина, чем профессор был немало раздосадован. Борн вернулся к работе только на следующий день и удивился, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись.

Американский морской биолог Петер фон Вильсон — первооткрыватель уникального явления самосборки ткани вне организма. В 1907 году он проводил эксперименты на морских губках и заметил, что отсеченные клетки сращиваются между собой в единый организм.

Идейная основа биопринтинга заложена больше ста лет назад, и в этом смысле технология является не гениальным изобретением, а практическим результатом многолетних интенсивных исследований.

От клетки — к органу

Экспериментальное развитие печати органов началось около десяти лет назад. На первых этапах биопринтинг больше походил на создание деталей конструктора, исследователям удавалось воспроизвести лишь фрагменты тканей. Позже появилась возможность создавать сегменты органов, снабженные сосудами. Этот этап считается определяющим в развитии технологии биопринтинга.

Сейчас технологически можно производить цельный и полностью функциональный внутренний орган с сосудами. Но для создания органа, который будет пригоден для трансплантации, необходимо усовершенствовать постпроцессинг.

Биопринтинг в космосе

В 2018 году лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions объявила о начале экспериментов по биопечати в космосе. В августе прошлого года на МКС отправили новую партию оборудования и материала. На этот раз на первом в мире космическом биопринтере планируется использовать органические и неорганические компоненты для сборки костной ткани.

Также космонавты выращивают белковые кристаллы и проводят эксперименты по печати биопленок бактерий, чтобы изучить их поведение в невесомости.

Трехмерные технологии прочно входят в различные сферы наук. Не исключением стала и медицина. 3D-технологии очень активно применяются в сфере здравоохранения. Более того, с каждым годом они становятся все совершеннее и экономичнее. Трехмерные технологии в медицине предоставляют огромные возможности, позволяя значительно поднять уровень качества оказания медицинских услуг. С развитием технологий и медицины всё больше современных разработок и открытий относится к сфере медицинской визуализации. Эти технологии включают в себя большинство неинвазивных методов отображения информации, самыми распространенными из которых являются КТ (компьютерная томография) и МРТ (магнитно-резонансная томография). Все чаще в медицине используются технологии 3D-печати. С развитием струйной биопечати стало возможно формировать высокоточные объемные органические модели при использовании специализированного биоматериала, а с появлением технологии микроэкструзионной биопечати появилась возможность наложения клеток с очень высокой плотностью. В хирургии 3D-печать используется для моделирования органа и проведения тщательного планирования предстоящего вмешательства, используя физический макет. Технологии дополненной реальности позволяют оперирующим хирургам обладать доступом к данным МРТ, КТ или сцинтиграфии, спроецированным на пациента во время операции.

1. Andrews E.M., Richards R.J., Yin F.Q. Alterations in chondroitin sulfate proteoglycan expression occur both at and far from the site of spinal contusion injury // Exp Neurol, 2011, vol. 235, pp. 174–187.

2. Blumenthal J., Cohen-Matsliah S.I. Olfactory bulb-derived cells seeded on 3D scaffolds exhibit neurotrophic factor expression and pro-angiogenic properties // Tissue Eng, 2012, vol. 19, pp. 2284–2291.

3. Lesman A., Koffler J., Atlas R. Engineering vessel-like networks within multicellular fibrin-based constructs // Biomaterials, 2011, vol. 32, pp. 7856–7869.

4. Lu P., Woodruff G., Wang Y. Long-distance axonal growth from human induced pluripotent stem cells after spinal cord injury // Neuron, 2014, vol. 83, pp. 789–796.

5. Baum R.A., Carpenter J.P., Cope C. Aneurysm sac pressure measurements after endovascular repair of abdominal aortic aneurysms // J. Vasc. Surg., 2001, vol. 33, pp. 32–41.

6. Desai M., Eaton-Evans J., Hillery C. AAA stent-grafts: past problems and future prospects // Ann Biomed. Eng, 2010, vol. 38, pp. 1259–1274.

7. The United Kingdom EVAR trial investigators Endovascular versus open repair of abdominal aortic aneurysm // N. Engl. J. Med., 2010, vol. 362, pp. 1863–1871.

8. Laing C., Schlick T. Computational approaches to 3D modeling of RNA // J. Phys. Condens. Matter, 2010, vol. 22, pp. 293-310.

9. Usch A., Backofen R. INFO-RNA–a server for fast inverse RNA folding satisfying sequence constraints // Nucleic Acids Res, 2007, vol. 35, pp. 310–313.

10. Gan H.H., Pasquali S., Schlick T. Exploring the repertoire of RNA secondary motifs using graph theory Implications for RNA design // Nucleic Acids. Res., 2003, vol. 31, pp. 2926–2943.

11. Waran V., Narayanan V., Karuppiah R. et al. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons // J Neurosurg, 2014, vol. 120, pp. 489–492.

12. Wurm G., Tomancok B., Pogady P. et al. Cerebrovascular stereolithographic biomodeling for aneurysm surgery // J. Neurosurg, 2004, vol. 100, pp. 139–145.

13. Saijo H., Igawa K., Kanno Y. et al. Maxillofacial reconstruction using custom-made artificial bones fabricated by inkjet printing technology // J. Artif. Organs, 2009, vol. 12, pp. 200–205.

14. Groth C., Kravitz N.D., Jones P.E. et al. Three-dimensional printing technology // J. Clin. Orthod., 2014, vol. 48, pp. 475–485.

15. Chen J., Zhang Z., Chen X. et al. Design and manufacture of customized dental implants by using reverse engineering and selective laser melting technology // J. Prosthet Dent, 2014, vol. 112, pp. 1088–1095.

16. Flugge T.V., Nelson K., Schmelzeisen R., Metzger M.C. Three-dimensional plotting and printing of an implant drilling guide: simplifying guided implant surgery // J. Oral Maxillofac Surg, 2013, vol. 71, pp. 1340–1346.

17. Goyanes A., Buanz A.B., Hatton G.B. et al. 3D printing of modified-release aminosalicylate // Eur J. Pharm Biopharm, 2014, vol. 10, pp. 10-16.

18. Skowyra J., Pietrzak K., Alhnan M.A. Fabrication of extended-release patient-tailored prednisolone tablets via fused deposition modelling (FDM) 3D printing // Eur. J. Pharm Sci, 2014, vol. 68, pp. 11–17.

19. Lueders C., Jastram B., Hetzer R., Schwandt H. Rapid manufacturing techniques for the tissue engineering of human heart valves // Eur. J. Cardiothorac Surg, 2014, vol. 46, pp. 593–601.

20. Chang J.W., Park S.A., Park J.K. et al. Tissue-engineered tracheal reconstruction using three-dimensionally printed artificial tracheal graft: preliminary report // Artif. Organs, 2014, vol. 38, pp. 95–105.

21. Lee Ventola C. Medical applications for 3D printing: current and projected uses // PT, 2014, vol. 39. pp.704–711.

22. Fullerton J.N., Frodsham G.C., Day R.M. 3D printing for the many, not the few // Nat Biotechnol, 2014, vol. 32, pp. 1086–1097.

23. Hieu L.C., Zlatov N., Vander Sloten J. et al. Medical rapid prototyping applications and methods // Assemb Autom, 2005, vol. 25, pp. 284–292.

24. Rosset A., Spadola L., Ratib O., Osiri X. An open-source software for navigating in multidimensional DICOM images // J. Digit Imaging, 2004, vol. 17, pp. 205–216.

25. Fedorov A., Beichel R., Kalpathy-Cramer J. et al. 3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network // Magn Reson Imaging, 2012, vol. 30, pp. 1323–1341.

26. Gering D.T., Nabavi A., Kikinis R. et al. An integrated visualization system for surgical planning and guidance using image fusion and an open MR // J. Magn Reson Imaging, 2001, vol. 13, pp. 967–75.

27. Golby A.J., Kindlmann G., Norton I. et al. Interactive diffusion tensor tractography visualization for neurosurgical planning // Neurosurgery, 2011, vol. 68. pp. 496–505.

28. Chae M.P., Hunter-Smith D.J., Spychal R.T., Rozen W.M. 3D volumetric analysis for planning breast reconstructive surgery // Breast Cancer Res. Treat, 2014, vol. 146, pp. 457–460.

Целью исследования стал обзор достигнутых нововведений в медицине, достигнутый при помощи 3D-технологий, а именно – 3D-печати, инструментов 3D-визуализации, таких как КТ и МРТ, и технологий дополненной реальности. Также в ходе исследования была произведена оценка перспектив применения 3D-технологий в медицине.

Материалы и методы

Результаты

Трехмерная печать – это двигатель инноваций во многих отраслях промышленности и научно-исследовательских областях, таких как проектирование, производство, искусство и, в последнее время, медицина. Общий объем промышленности 3D-биопечати оценивается в 1,47 млрд £ к 2020 году, эта инновация призвана вызвать крупные преобразования в сфере медицины [14].

Визуализация боковых желудочков мозга связана с осложнениями, связанными с прямым повреждением коры или ретракцией мозга. Авторы описывают новый подход к атриуму через коридор трансколлатеральной борозды намета. Ретросигмоидный подход позволил получить четкую визуализацию базальной затылочной поверхности. Была выявлена коллатеральная борозда и разрешен легкий эндоскопический доступ к полости желудочка. Полученный таким образом конический коридор обеспечивал среднюю рабочую зону 3,9 см 2 при средней глубине 4,5 см. Средняя толщина коры, преодоленная для входа в желудочек, составляла 1,4 см. Таким образом, внутрижелудочковая анатомия латерального желудочка была четко определена во всех 8 экспозициях. Анатомия базальной затылочно-возрастной поверхности показала последовательную закономерность, с коллатеральной бороздой, прилегающей к парагиппокампальной извилине, и веретеновидной и язычной извилиной в поперечном направлении [25].

Четкое определение внутрисердечного тромба необходимо для своевременного предотвращения системной и легочной эмболизации. Трехмерная трансезофагеальная эхокардиография может решить эту проблему. 80-летняя женщина, которой была проведена операция на митральном клапане, была госпитализирована в связи с сердечной недостаточностью. Хотя двухмерная трансторакальная эхокардиография показала недавнюю аномалию движения стенок в апикальном сегменте с уменьшенной систолической функцией левого желудочка, коронарная ангиография не показала значительного стеноза или окклюзии. Не было определенного ишемического изменения. До приема использовались диуретики для сердечной недостаточности, и пациент не принимал варфарин. Для оценки восстановленного клапана и тромба левого предсердия пациент был направлен на исследование. Восстановленный митральный клапан с жестким кольцом не показал стенотических изменений или повторения митральной регургитации. Однако наблюдалось расширение левого предсердия и левого придатка с умеренным спонтанным контрастом эха. При двумерном изображении на уровне левого предсердия и митрального клапана был обнаружен большой тромб. Его пулеподобная форма и отношение к окружающим структурам наблюдались на изображении, полученном из трехмерных наборов данных. Скорость опорожнения предсердия сильно уменьшилась. При двумерном короткоосновном изображении аортального клапана в правом предсердии находилась другая небольшая подвижная масса. Трехмерное масштабированное изображение подтвердило, что эта масса относилась к кардиостимулятору [26].

В августе 2015 года FDA одобрило первый 3D-печатный препарат, что свидетельствует о новой главе для фармацевтического производства. Традиционные фармацевтические процессы, такие как компрессия таблеток, использовались на протяжении десятилетий с установленными регуляторными путями [27]. Эти процессы хорошо поняты, но устарели с точки зрения технологических возможностей и гибкости производства. Трехмерная печать, как платформа, имеет конкурентные преимущества для сложных и персонализированных продуктов. Эти преимущества открывают новые возможности для повышения безопасности, эффективности и доступности лекарств [28].

Выводы

Итак, можно с уверенностью сказать, что 3D-технологии в медицине стали необходимостью, которая несравненно облегчает работу специалистов в различных областях, а также оставляет довольным качеством результата самого пациента. С развитием новых технологий 3D-печати и появлением новых методов визуализации в виде виртуальной и дополненной реальности – медицине предстоит пережить множество метаморфоз, обусловленных техническим прогрессом.

Читайте также: