Те, що ми бачимо в науково-фантастичних фільмах, може здаватися далеким і недосяжним, але нерідко це виявляється ближчим до реальності, ніж можна було б подумати. Один із таких прикладів — «створення» нових органів для пересадки пацієнтам. Багато наукових команд у різних куточках світу вже сьогодні працюють над наближенням того дня, коли хворим не потрібно буде шукати донорів.
Важливий поштовх у розвитку біопринтингу дало наукове відкриття, зроблене докторами Сінья Яманакою та Джоном Гурдоном, за яке вони у 2012 році отримали Нобелівську премію. Вони розробили технологію, що дозволяє перетворювати дорослі клітини на стовбурові.
У цій статті ми детальніше розповімо, яких успіхів вже вдалося досягти медицині в цьому напрямку, і на що можна розраховувати в майбутньому.
Як відбувається «друкування» органів і коли його почнуть застосовувати?
3D-друк — це сучасна технологія, що дозволяє створювати об’ємні предмети за спроектованими моделями. Якщо в якості «чорнила» замість пластику використовувати спеціальні «біочорнила», створені з людських тканин, то отриманий результат буде виглядати і функціонувати як справжній орган. Поки ця технологія далека від того, щоб застосовувати її в широких масштабах, проте перші досягнення вже вражають.
Для того, щоб створити «біочорнило», беруть невеликий зразок тканин необхідного органу. Їх поміщають у спеціальний інкубатор, що імітує людський організм, у якому ці клітини зможуть рости й ділитися. Через деякий час їх змішують з клейким біологічним гелем, що дозволяє з’єднати клітини в єдину тканину. Отримана суміш завантажується в принтер, і шар за шаром створює бажаний орган.
Звісно, те, що здається простим у теорії, набагато складніше на практиці. Вченим вдалося досягти великих успіхів у відтворенні форми таких органів, але далеко не завжди вдається «навчити» їх функціонувати так, як вони повинні це робити. Найбільш успішно відбувається «друк» шкіри, тоді як зі складними органами — серцем, легенями, нирками — виникає найбільше проблем.
Коли ж слід очікувати широкого застосування технологій 3D-друку в медицині? За словами фахівців, які працюють у цій сфері, — зовсім не скоро. «Ця галузь розвивається швидко, але я думаю, що до широкого застосування доведеться чекати ще більше десятиліття, навіть з урахуванням усього того величезного прогресу, якого ми досягли», — вважає Дженніфер Льюїс, професорка Інституту біологічної інженерії Гарвардського університету.
До 2024 року вченим уже вдалося успішно створити на 3D-принтері печінку, нирки, серце, трахею та сечовий міхур.
Причина, через яку лікарі так зацікавлені в технології 3D-друку органів, — це їхня 100-відсоткова сумісність з організмом пацієнта. Під час стандартної трансплантації завжди приділяється велика увага тому, щоб тканини донора та реципієнта були імунологічно сумісними. В іншому випадку тіло відторгає чужорідний орган, і операція проходить даремно. Навіть якщо донорський орган підходить пацієнту, йому доведеться до кінця життя приймати препарати, що пригнічують імунітет, щоб той не атакував пересаджені тканини. Технологія біопринтингу повністю вирішує цю проблему, адже людині трансплантують її власні тканини.
Крім того, це позбавляє пацієнтів проблеми довгого очікування в чергах на донорський орган. За даними Глобальної обсерваторії з донорства та трансплантації (GODT), на сьогоднішній день медицина здатна допомогти лише 10% хворих, які потребують пересадки органу.
Вперше пересаджений «надрукований» сечовий міхур
Навіть така нова технологія, як 3D-друк людських органів, вже знайшла застосування в реальному житті. У 2004 році вперше було пересаджено сечовий міхур, створений таким чином, — і ось уже майже через два десятиліття він безперебійно функціонує.
Першою людиною, якій пересадили «біороздрукований» орган, став американець Люк Масселла. Хлопчик народився зі спіна біфіда — рідкісним діагнозом, спричиненим порушенням розвитку спинного мозку. Ураження сечового міхура, що виникло згодом, призводило до неминучої відмови нирок, через що дитині довелося б на все життя залежати від діалізу — медичної процедури з очищення крові. Однак його лікар запропонував провести експериментальне лікування — і виявився правий.
Сечовий міхур було виготовлено з використанням зразка тканини власного органу хлопчика та модифікованого струменевого принтера для створення своєрідного каркаса для клітин. Вирощений у лабораторних умовах, новий сечовий міхур було вирощено за 2 місяці, а потім успішно пересаджено дитині під час 14-годинної операції.
Усього у світі живе 10 осіб із пересадженими сечовими міхурами, створеними з їхніх власних тканин за допомогою технології 3D-друку.
Живе серце, надруковане на 3D-принтері
Експерименти зі створення серця на 3D-принтері, які проводилися раніше, ґрунтувалися на використанні синтетичних матеріалів. Але вчені Ізраїлю пішли далі, взявши за основу клітини людини. Новина про створення мініатюрного серця з людських клітин швидко розлетілася по всьому світу. Звісно, адже вперше вчені змогли відтворити орган такої складної геометричної форми, використовуючи при цьому біологічні матеріали людини.
Вчені з Тель-Авівського університету взяли жирові клітини, перетворили їх на стовбурові клітини серцево-судинного м’яза, а потім змішали зі сполучною тканиною та помістили в 3D-принтер. А через кілька годин друку світ побачив результат їхньої роботи. Розмір серця всього 2,5 сантиметра, але у нього є камери, кровоносні судини та шлуночки. Воно має каркас, скорочується так само, як людське, але поки не може перекачувати кров.
Щоб адаптувати таку технологію до потреб людини, потрібен час і додаткові випробування, але, як зазначають автори дослідження, у перспективі цей метод стане чудовою альтернативою донорським органам.
Ізраїльські вчені планують пересадити надруковані органи тваринам (щурам і кролям). Якщо експеримент виявиться успішним, це відкриє для медицини нові можливості у сфері трансплантології. І, можливо, вже протягом 10 років пацієнтам не доведеться чекати в черзі на пересадку органів, адже лікарі зможуть створювати їх індивідуально під кожен випадок.
Пересадка штучної рогівки, надрукованої на 3D-принтері
На цьому етапі існує ще один, більш реалістичний напрям у застосуванні технологій 3D-друку в медицині. Це — створення протезів, імплантатів та інших пристроїв із біосумісних матеріалів.
Одним із прикладів таких технологій є штучна рогівка EyeYon, яку у 2022 році імплантували пацієнту з набряком рогівки в ізраїльській клініці Шаарей Цедек. На сьогодні стандартним методом лікування цього захворювання вважається пересадка тканин від донора. Кількість донорського матеріалу дуже обмежена і не здатна покрити всі потреби хворих з різними захворюваннями очей.
Синтетична рогівка товщиною всього 50 мікрон (як людська волосина) виготовляється зі стерильного біосумісного акрилу. Вона прикріплюється до задньої частини рогівки, створюючи бар’єр для рідини, що накопичується, і водночас забезпечуючи обмін поживними речовинами. Ця операція дозволила пацієнту відновити зір і позбутися дискомфорту, викликаного скупченням рідини в оці. Крім того, йому не довелося довго залишатися в лікарні для відновлення — він зміг приїхати, пройти операцію і виписатися за один день.
Ця технологія зацікавила багато клінік. Представники США, Нідерландів, Індії та Китаю вже звернулися до компанії з приводу патенту.
Вухо, надруковане на 3D-принтері
Ще одна сфера, в якій лікарі знайшли застосування технології 3D-друку, — це створення синтетичних хрящів для реконструктивної хірургії.
У 2022 році лікарі медичного центру «Галілея» в Ізраїлі провели операцію шестирічній дитині з вродженим дефектом вуха. Хлопчик народився з мікротією — недорозвитком вушної раковини. Щоб виправити цей дефект, лікарі створили за допомогою 3D-принтера протезну модель хрящової тканини, яка надає органу необхідну форму. Після цього її покрили шкірою, взятою з ділянки біля вуха.
Оскільки мікротія уражає не лише вушну раковину, а й внутрішнє вухо, відновити слух у дитини було неможливо. Однак естетичні результати операції виявилися успішними. Оскільки вуха досягають свого «дорослого» розміру швидше, ніж інші органи голови, це — одна з небагатьох пластичних операцій, які не протипоказані в дитячому віці.
Головною перевагою використання 3D-друку під час проведення цієї операції було те, що хірургам не довелося брати трансплантати хрящової тканини. Це позбавляє пацієнта додаткового болю та потенційних ускладнень у місці забору тканини.
Майбутнє біопринтингу в космосі?
З 2019 року американська компанія BioFabrication Facility у співпраці з NASA займається дослідженням технології біодруку в космосі. Вчені звернули увагу на те, що багато проблем, які виникають під час 3D-друку органів, пов’язані з гравітацією Землі.
Традиційний 3D-біодрук використовує гідрогель для вирощування нової тканини з клітин пацієнта. Зазвичай друк відбувається при кімнатній температурі, що робить в’язкість речовини відносно низькою. Пізніше, на етапі культивування тканини, температура гідрогелю підвищується, що значно збільшує його в’язкість. Під дією земного тяжіння ці фізичні властивості створюють необхідність в опорній структурі для формування бажаної форми тканини. Однак, створення такої опори для крихітних складних структур, таких як капіляри або лімфовузли, практично неможливо. У той же час, космічні станції, які знаходяться в умовах нульової гравітації, створюють ідеальні умови для біодруку.
У 2019 році компанія вже поділилася своїми досягненнями — надрукуванням меніска, а також частини серця. У майбутньому вони планують проводити нові експерименти з 3D-друку органів вищої якості, ніж це можливо досягти на Землі.
Підсумок
- 3D-друк органів — це експериментальна технологія, яка дозволяє створити функціональний орган із невеликої кількості людської тканини. Вчені лише роблять перші кроки у розвитку цього методу, але він уже знаходить своє застосування в медицині.
- Уже сьогодні у світі живе 10 осіб, яким пересадили сечові міхури, надруковані на 3D-принтері з їхніх власних тканин. Цей метод також застосовується для створення імплантатів і протезів із синтетичних матеріалів — суглобів, рогівки, хрящових структур тощо.
- Біотехнологи, які працюють у сфері біопринтингу, вважають, що слід чекати щонайменше півтора десятиліття, перш ніж 3D-друк органів почнуть широко застосовувати в медицині.
Щоб дізнатися детальну інформацію про лікування захворювань за кордоном, звертайтеся до координаторів компанії MediGlobus. Надішліть заявку, натиснувши кнопку «Отримати безкоштовну консультацію», і чекайте на дзвінок від нашого фахівця!
Джерела:
- Israeli scientists unveil world’s first 3D-printed heart with human tissue
- Israeli surgeons carry out “world’s thinnest 3D printed cornea” transplant
- Israeli doctors surgically construct ear of a child with deformity
- A cow’s ovary cells and 3D printing organs: What experiments is NASA doing next on the ISS?
- When we’ll be able to 3D-print organs and who will be able to afford them
- ‘A new bladder made from my cells gave me my life back’
- Глобальна обсерваторія з питань донорства та трансплантації
