Шаг в будущее. Ученые создали живое сердце на 3D-принтере

3D-печать — это современная технология, позволяющая создавать объемные предметы по спроектированных моделях. Если в качестве “чернил” вместо пластика использовать специальные “биочернила”, созданные из человеческих тканей, то полученный результат будет выглядеть и функционировать как настоящий орган. Пока эта технология далека от того, чтобы применять ее в широких масштабах, однако первые достижения уже впечатляют.

Для того, чтобы создать “биочернила”, берется небольшой образец тканей необходимого органа. Их помещают в специальный инкубатор, имитирующий человеческий организм, в котором эти клетки смогут расти и делиться. Через некоторое время их смешивают с клейким биологическим гелем, позволяющим соединить клетки в единую ткань. Полученная смесь загружается в принтер, и слой за слоем создает желаемый орган.

Конечно, то, что звучит просто в теории, намного сложнее в практике. Ученым удалось достичь больших успехов в воссоздании формы таких органов, но далеко не всегда удается “научить” их функционировать так, как они должны это делать. Наиболее успешно происходит “печать” кожи, в то время как с сложными органами — сердцем, легкими, почками, возникает больше всего проблем.

Даже такая молодая технология, как 3D печать человеческих органов, уже нашла применение в реальной жизни. В 2004 году впервые был пересажен созданный таким образом мочевой пузырь — и вот уже почти два десятилетия спустя он исправно работает.

Первым человеком, которому пересадили “биораспечатанный” орган, стал американец Люк Масселла. Мальчик родился со спина бифида — редким диагнозом, вызванным нарушением развития спинного мозга. Возникшее впоследствии поражение мочевого пузыря вело к неминуемому отказу почек, из-за чего ребенку пришлось бы на всю жизнь зависеть от диализа — медицинской процедуры по очистке крови. Однако, его врач предложил провести экспериментальное лечение — и оказался прав.

Мочевой пузырь был изготовлен с использованием образца ткани собственного органа мальчика и модифицированного струйного принтера для создания своего рода каркаса для клеток. Инкубированный в лабораторных условиях, новый мочевой пузырь был выращен за 2 месяца, а затем успешно пересажен ребенку во время 14-часовой операции.

Эксперименты по созданию сердца на 3D-принтере, которые проводились ранее, основывались на использовании синтетических материалов. Но ученые Израиля зашли дальше, взяв за основу клетки человека.

Новость о создании миниатюрного сердца из человеческих клеток быстро разлетелась по всему миру. Еще бы, ведь впервые ученые смогли воссоздать орган такой сложной геометрической формы, используя при этом биологические материалы человека.

Ученые из Тель-Авивского университета взяли жировые клетки, преобразовали их в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, а затем смешали с соединительной тканью и поместили в 3D-принтер. А спустя несколько часов печати мир увидел результат их работы. Размер сердца всего 2,5 сантиметра, но у него есть камеры, кровеносные сосуды и желудочки. Оно имеет каркас, сокращается так же, как человеческое, но пока не может перекачивать кровь.

На этом этапе существует еще одно, более реалистичное направление в применении технологий 3D печати в медицине. Это — создание протезов, имплантов и прочих устройств из биосовместимых материалов.

Один пример таких технологий — искусственная роговица EyeYon, которую в 2022 году пересадили пациенту с отеком роговицы в Израильской клинике Шаарей Цедек. Стандартным лечением этой болезни на сегодняшний день считается пересадка тканей от донора. Количество донорского материала очень ограничено и не способно покрыть всю потребность больных с различными заболеваниями глаз.

Синтетическая роговица толщиной всего в 50 микронов (как человеческий волосок) изготовляется из стерильного биосовместимого акрила. Она прикрепляется к задней части роговицы, создавая барьер для накапливаемой жидкости, и одновременно обеспечивая обмен питательными веществами.

Еще одно направление, в котором врачи нашли применение для технологии 3D печати — это создание синтетических хрящей для реконструктивной хирургии.

В 2022 году врачи медицинского центра Галилеи, что в Израиле, провели операцию на шестилетнем ребенке с врожденным дефектом уха. Мальчик родился с микротией — недоразвитием ушной раковины.

Чтобы исправить этот дефект, врачи создали с помощью 3D-принтера простетическую модель хрящевой ткани, которая придает органу необходимую форму. После этого ее прикрыли кожей, взятой из области возле уха.

Так как микротия поражает не только ушную раковину, но и внутреннее ухо, восстановить слух ребенку было невозможно. Однако эстетические результаты операции оказались успешными. Так как уши достигают своего “взрослого” размера быстрее, чем прочие органы головы, это — одна из немногих пластических операций, которые не противопоказаны в детском возрасте.

С 2019 года американская компания BioFabrication Facility в сотрудничестве с NASA занимается исследованием технологии биопринтинга в космосе.

Ученые обратили внимание, что много проблем, возникающих во время 3D печати органов, связаны с гравитацией Земли.

Традиционная 3D-биопечать использует гидрогель для выращивания новой ткани из клеток пациента. Они обычно печатаются при комнатной температуре, которая делает вязкость вещества относительно низкой. Позже, на этапе культивирования ткани, температура гидрогеля повышается, что значительно увеличивает его вязкость. Под действием земного притяжения эти физические свойства создают необходимость в опорной структуре для формирования желаемой формы ткани. Однако, создание такой опоры для крошечных сложных структур, таких как капилляры или лимфоузлы, практически невозможно. В то же время, космические станции, которые находятся в условиях нулевой гравитации, создают идеальные условия для биопринтинга.