На завершившейся 6 мая в Нью-Йорке конференции TechCrunch Disrupt компания BioBots представила 3D-принтер, печатающий живыми клетками с разрешением 100 микрон. Изготавливать полноценные органы он ещё не умеет, но даже в текущем варианте у принтера масса потенциальных применений в регенеративной медицине и научных исследованиях.
В своё время 3D-принтерам Makerbot и RepRap удалось сократить временны́е и финансовые расходы на моделирование любых деталей. Запуск BioBots в ближайшем будущем может радикально уменьшить срок тестирования лекарств, а в отдалённом – полностью изменить трансплантологию.
Производить донорcкие органы BioBots пока не способен, но образцы напечатанных им тканей уже можно использовать во многих экспериментах, которые традиционно проводятся на лабораторных животных. Этические факторы, несомненно, помогут ускорить выход новинки на рынок, но главное преимущество такого подхода видится в другом.
Фармацевты, токсикологи и прочие исследователи давно ищут способ изучать воздействие новых препаратов на реальных тканях человеческого тела.
Это же касается и методов выяснения деталей о метаболизме хорошо известных веществ. Пока они ограничиваются моделированием воздействия на мышах, крысах, кроликах и прочих млекопитающих.
Однако их гистологическое строение, биохимические процессы и физиологические реакции заметно отличаются от таковых у человека.
Далеко не всегда эту разницу можно свести к поправочному коэффициенту, чтобы пересчитать дозировки и другие величины.
Вплоть до середины XX века самым информативным вариантом было проводить все эксперименты на живых людях, но сейчас это запрещено международными соглашениями. Сегодня добровольцев можно привлекать только для клинических испытаний препаратов с доказанной безопасностью. У предлагаемых лекарств только сравнивают эффективность, а все токсикологические параметры до этого выясняют по старинке – подсчитывая количеству умерших в серии экспериментов животных и прогоняя протоколы их вскрытия через статистический анализ.
«Лаборатория на чипе» помогает снизить число жертв во имя науки, но у этого направления другие приоритеты развития, в частности – экспресс-диагностика. Поэтому самым перспективным подходом остаётся именно 3D-печать живых тканей, а затем и органов.
Если взять у человека образцы клеток, размножить их и, к примеру, напечатать фрагмент печени, то никаких этических трудностей возникнуть не должно. Это точно не личность, а просто биоматериал, причём часто – выращенный из клеток хозяина во имя его же блага. Можно считать такой подход закономерным развитием аутотрансплантации. Особенно востребован такой подход будет в ожоговых отделениях, где процент повреждения кожи напрямую определяет прогноз для жизни больного.
Биопринтер BioBots был разработан выпускниками Пенсильванского университета Дэнни Кабрера (Danny Cabrera) и Рикардо Солорзано (Ricardo Solorzano) при поддержке акселератора технологических стартапов в области здравоохранения DreamIt Health. Он выглядит как типичный 3D-принтер настольного формата и даже стоит сопоставимо – $5000.
(фото: bionews-tx.com).
«Когда мы заинтересовались биотехнологиями, то прототипы для биопечати только появлялись, сказал Кабрера на TechCrunch Disrupt. – Они выглядели как старые мейнфреймы: занимали целые комнаты и стоили от полумиллиона долларов. Наша идея была в том, чтобы создать более дешевые и компактные устройства с близкой функциональностью».
Похоже, разработчикам это удалось. Внешне BioBots неотличим от других 3D-принтеров для быстрого прототипирования. На стальной раме размещается блок управления, печатающая головка, регулируемая подставка и набор картриджей. Главная особенность BioBots в том, что печатать он умеет различными биоматериалами и культурами клеток.
Сложность этого процесса заключается в необходимости максимально точно воссоздать объёмное строение живых систем. Даже кожа и простейшие полые органы состоят из нескольких слоёв разных клеток. Поэтому соответствующие клеточные культуры помещаются при печати в отдельные картриджи. Их смена происходит автоматически, а процесс печати происходит послойно и с высокой точностью – заявленная ошибка позиционирования составляет менее ста микрон.
В напечатанном фрагменте все клетки поначалу удерживаются на месте с помощью микроскопических опорных конструкций – сочетания гидрогеля и тончайших пластиковых нитей. Они имитируют внеклеточный матрикс, выполняя роль «строительных лесов» и питательной среды. Когда клетки установят взаимосвязи, начнут объединяться и взаимодействовать друг с другом при помощи настоящей соединительной ткани, эти инородные включения просто разрушат кратковременным воздействием УФ-лампы.
Своим основным конкурентом разработчики видят фирму Organovo, о достижениях которой «Компьютерра» уже писала в прошлом году, и молодую компанию EnviroTec, также продвигающую методы биопечати. Однако стоимость BioBots в тридцать-сорок раз ниже аналогичных устройств, поэтому в итоге они просто будут ориентированы на заказчиков с разным бюджетом.
За последние пять лет биопечать из фантастической идеи стала реальностью. С этой технологией связывают массу надежд – от повышения эффективности обучения студентов-медиков до продления жизни и улучшения её качества. Может показаться, что через пару-тройку лет и раундов финансирования очередного стартапа запасные органы начнут печатать в каждой крупной клинике. К сожалению, для этого потребуется не просто увеличить ключевые характеристики биопринтеров, но и решить множество других задач.
Помимо многослойного строения, сложность живой ткани обусловлена налаженным взаимодействием клеток. Они развиваются не изолировано, а в условиях целостного организма, постоянно поддерживая двустороннюю связь со всеми его системами. В лабораторных условиях пока не удаётся воссоздать тонкую нейрогуморальную регуляцию, клеточный иммунитет, управление развитием многочисленных рецепторов и другие особенности живых систем. Даже преимущественно структурные задачи – такие как иннервация и васкуляризация напечатанных органов, пока не имеют отлаженного решения. Самые реалистичные варианты предполагают лишь самостоятельную миграцию клеток в «строительных лесах» и автономное развитие особо сложных структур.