Биопринтинг: технология 3D-печати органов

В эпоху, когда научные достижения звучат как фантастика, технология биопринтинга выделяется особенно: от напечатанных на 3D-принтере барабанных перепонок до выращивания функциональной печени прямо в теле пациента. Эти чудеса современной науки не только широко освещаются в СМИ, но и открывают новую главу в лечении и восстановлении человеческих органов и тканей. В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое биопринтинг, узнаем об используемых для печати материалах, а также оценим, как эти технологии могут изменить будущее медицины.

Биопринтинг представляет собой передовую технологию 3D-печати, разработанную для создания живых тканей и органов, которые могут воспроизводить естественные функции организма. В ходе биопринтинга применяются биосовместимые материалы, такие как живые клетки и биоразлагаемые полимеры. Они послойно накладываются для формирования сложных структур, например, сосудов или печени. Такие искусственно созданные органы могут быть использованы для медицинских нужд, включая трансплантацию.

Первые шаги в разработке 3D-печати начались в 1980-х годах, когда Чарльз Халл запатентовал технологию стереолитографии, но лишь в 1999 году учёные из Университета Вейк Форест впервые использовали аналогичные методы для печати синтетических структур, которые могли бы интегрироваться с живыми тканями. Один из наиболее знаковых моментов в истории биопринтинга произошёл в 2013 году, когда исследователи сумели напечатать жизнеспособную часть печени, способную функционировать в течение нескольких дней. Эти достижения открыли новую эру в регенеративной медицине, позволяя ученым мечтать о дне, когда органы для трансплантации будут создаваться на заказ.

Технологии в области медицины и здравоохранения развиваются стремительными темпами, открывая новые горизонты не только на уровне национальных систем здравоохранения, но и в отношении личного использования врачами и медицинскими работниками. 

Представьте себе мир, где рутинные задачи в медицине, такие как составление отчетов и оформление документации, автоматизированы так же, как печать органов с помощью биопринтинга. Хотите высвободить больше времени для лечения пациентов, исследований или личного развития?

Нейросети — это революционный инструмент, который оптимизирует и автоматизирует процессы, облегчая вашу работу. На курсе «Нейросети в работе врача» вы научитесь:

• Внедрять нейросети в повседневную практику, начиная с первых шагов и до их полноценного использования.
• Сокращать бумажную работу, позволяя ИИ автоматизировать создание отчетов, шаблонов анализов и дневников осмотров.
• Создавать резюме, мотивационные письма и заявки на стажировки с точностью и скоростью, которую обеспечивает искусственный интеллект.
• Анализировать научные публикации и составлять обзоры литературы с помощью ИИ.
• Разрабатывать контент для социальных сетей, создавая визуальный и текстовый материал за считаные минуты.

Освободите своё время и передайте рутинные задачи нейросетям. Этот курс станет вашим инструментом для повышения продуктивности и профессионального роста!

Биопринтеры функционируют по принципу пошаговой 3D-печати, где биологические материалы, называемые «биочернилами», выдавливаются через специальные насадки для создания сложных трёхмерных структур. Этот процесс позволяет с высокой точностью размещать клетки, поддерживающие материалы и биоактивные молекулы, создавая микроархитектуру, напоминающую естественные ткани организма.

Материалы для биопечати

В процессе биопечати используются различные материалы, такие как живые клетки, которые можно извлечь непосредственно у пациента, гидрогели, обеспечивающие клеткам питательную среду и поддержку, а также биоразлагаемые полимеры, которые служат каркасом для формирующихся тканей. Все эти материалы должны быть совместимы с организмом, обладать необходимой прочностью и поддерживать жизнедеятельность и рост клеток.

Что можно создать?

С помощью биопринтинга можно создавать различные биологические структуры, включая кожу, хрящи, костные ткани и даже более сложные внутренние органы, такие как печень и почки. Такие ткани могут использоваться для испытания лекарств, изучения болезней и, в перспективе, для трансплантации.

Развитие технологии биопечати в последние годы стремительно набирает обороты как в России, так и во всем мире. Этот инновационный метод — новые горизонты в регенеративной медицине и трансплантологии.

На мировой арене достигнуты значительные успехи в биопечати различных тканей и органоидов. Ученые из США и Европы успешно создали функциональные мини-органы, такие как печень и почки, используя 3д-биопринтеры. Японские исследователи продвинулись в печати кровеносных сосудов, что крайне важно для обеспечения жизнеспособности более крупных напечатанных структур.

В России также активно развивается это направление. В 2015 году отечественная компания 3D Bioprinting Solutions совершила прорыв, создав первый в мире функциональный напечатанный орган — щитовидную железу. Этот успех был закреплен в 2018 году, когда та же компания осуществила первый эксперимент по магнитной биопечати в условиях невесомости на борту Международной космической станции. Особенно впечатляющим достижением стала проведенная в 2023 году первая в мире процедура прямой биопечати на пациенте, реализованная совместными усилиями НИТУ МИСИС, 3D Bioprinting Solutions и госпиталя имени Бурденко. 

Если вас интересуют новости и научные достижения в области медицинской науки, рекомендуем к прочтению нашу статью «Биотехнологии в современной медицине». Там мы рассказываем, как биотехнологии меняют медицину: от иммунотерапии до генной инженерии и регенеративной медицины. 

Трансплантация напечатанных органов человека активно внедряется в медицинскую практику, и даже были проведены первые успешные операции.

Так, например, в журналах опубликованы случаи успешной имплантации напечатанных кровеносных сосудов лабораторным животным и применения напечатанных кожных графтов для лечения ожогов и хронических ран у пациентов.

В Южной Корее совсем недавно была выполнена первая в мире успешная трансплантация 3D-печатной трахеи пациентке, которая потеряла часть своей трахеи в результате операции по удалению рака щитовидной железы. Это стало возможным благодаря использованию стволовых клеток и хрящевой ткани, а также полимера для создания структуры органа, что позволило избежать использования иммуносупрессантов после операции.

Научные центры, такие как Йельский университет, также активно работают над развитием и применением технологии 3D-биопечати в трансплантологии. Исследователи активно работают над созданием 3D-печатных органов человека, таких как печень и почки, что в будущем может значительно сократить время ожидания нуждающихся в трансплантации пациентов.

Рассмотрим некоторые из наиболее значимых исследований, определяющих будущее этой инновационной технологии.

В 2019 году исследователи из Тель-Авивского университета совершили прорыв, напечатав первое в мире 3D-сердце с использованием человеческих тканей и сосудов. Хотя это сердце было размером с кроличье и не могло полноценно функционировать, оно продемонстрировало потенциал технологии.

Значительный прогресс был достигнут в области биопечати кожи. В 2022 году команда ученых из Университета Ханьян в Южной Корее разработала метод 3D-биопечати многослойной кожи с функциональными потовыми железами и волосяными фолликулами, что является важным шагом к созданию полностью функциональных кожных трансплантатов.

В сфере регенерации нервной ткани в 2023 году исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон успешно использовали 3D-биопечать для создания сложных нервных тканей, способных передавать электрические сигналы. Это открытие может иметь огромное значение для лечения травм спинного мозга и других неврологических заболеваний.

За последние два года в области 3D-биопечати были достигнуты заметные успехи, которые значительно продвинули технологию ближе к более активному ее внедрению в практическую медицину:

1. Улучшенная точность биопечати. Исследователи из Университета Калифорнии в Сан-Диего разработали новую технику, которая позволяет с высокой точностью создавать функциональные человеческие ткани, включая сосудистые структуры. Эта технология способствует лучшей выживаемости клеток и точному воссозданию сложных тканей.
2. Напечатанные на 3D-принтере кровеносные сосуды. В Гарвардском университете разработан метод 3D-печати кровеносных сосудов, который может значительно ускорить создание функциональных искусственных органов. 
3. Новые биочернила с клетками. Ученые из Лундского университета в Швеции разработали новые биочернила, содержащие клетки, которые могут использоваться для печати человеческих органов, таких как легкие. Эти чернила поддерживают рост новых клеток и кровеносных сосудов, что делает их идеальными для создания функциональных тканей.
4. Дорожная карта биопечати. Исследовательская группа опубликовала дорожную карту по биопечати, которая описывает текущее состояние технологий, недавние достижения и проблемы в этой области. Документ также предлагает перспективы дальнейшего улучшения биопечатных технологий, что позволит ускорить их клиническое внедрение​.

В будущем ожидается, что биопринтинг позволит печатать функциональные органы для пересадки нуждающимся пациентам, персонализированные ткани для тестирования лекарств и изучения болезней, а также сложные модели тканей для исследовательских целей. Кроме того, эта технология может найти применение в разработке новых биоматериалов и в области косметической хирургии.

В заключение стоит отметить, что несмотря на многообещающие перспективы, биопринтинг все еще сталкивается с рядом технических и этических проблем, которые необходимо решить для его широкого внедрения в клиническую практику. Тем не менее прогресс в этой области продолжается, и вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия биопринтинг станет неотъемлемой частью медицины, открывая новые горизонты в лечении и исследовании заболеваний.