3D-печать органов человека / Хабр

3D-печать органов человека / Хабр 3d печать
3d-печать , органы , перфузия, тканевые сфероиды, биофабрикация, дифференцировка клеток, регенеративная медицина, мыши, ацефалы, химеры и прочие друзья человека

3D-печать органов человека

UPD : Владелец института — компания Invitro — теперь находится в Хабре. Они взяли на себя ведение корпоративного блога компании. Если у вас есть вопросы, вы можете связаться с ними напрямую.

3D-печать органов человека / Хабр

Это из новой лаборатории 3D-печати органов . Перед впечатляющим микроскопом, за которым видны два инженера-медика, строящие в AutoCAD пространственную модель для формирования вращающегося эллипсоида ткани.

Именно здесь находится недавно открытая лаборатория 3D-биопечати. органов (Проект In Vitro). Существует некое бешеное непонимание того, что именно делается в этой области. Во всяком случае, я не микробиолог, но мне стало интересно. Я связался с разработчиком, В.А. Мироновым. Он является изобретателем технологии печати. органов Он запатентовал ее в США, участвовал в разработке трех усовершенствованных версий биопринтера и является «научным руководителем» нового научно-исследовательского института в Москве.

3D-печать органов человека / Хабр

В.А. Миронов (доктор медицинских наук, профессор с 20-летним опытом работы в микробиологии, особенно на границе с информатикой) — в ходе полуторачасового объяснения мне сути технологии он написал следующее письмо Куча документов.

Он не мог просто объяснить, что такое печать, поскольку ему нужно было сначала понять некоторые предпосылки. Например, почему следует отвергнуть блестящую идею развития безголового плода в суррогатной матери, удаления у него почек и помещения его в биостабилизатор для ускорения созревания.

А пока. Не спешите пить огненную жидкость. Вам еще далеко до новой печени. Поехали.

Эволюция методов

Сначала использовалась генная терапия. Пациентам вводили соответствующий комплекс. Выделялись клетки, в них вставлялись соответствующие гены, а затем клетки помещались в организм. человека . Если не хватает инсулина, ген для его производства находится здесь. Мы берем клеточную массу, модифицируем ее и вводим пациенту. Это отличная идея, но у нее есть существенные недостатки. Пациент выздоравливает сразу после операции, и ему не нужно ничего покупать. Другими словами, дайте мне собаку, которая мне по зубам. Судебный процесс был сложным, а один из пациентов впоследствии умер. Затем в США началась типичная волна исков и судебных запретов, а исследования были свернуты. Наконец, методы появились, но они не были проверены.

Следующим направлением стала клеточная терапия, то есть использование эмбриональных стволовых клеток. Этот метод превосходен и позволяет получить «плюрипотентные» клетки, из которых может вырасти все, что нужно пациенту. Проблема в том, что для их транспортировки необходим эмбрион. Похоже, что эмбрионы потребляются в процессе получения клеток. И это уже является морально-этической проблемой, из-за которой использование таких клеток запрещено.

Далее, организация работает так: вы получаете основу, помещаете клетки и все это в биотопливо, а затем получаете результаты (результаты, которые орган то, что хочет пациент. Это как намерение, только живое. Главное отличие намерения от протезирования в том, что протез неорганический и вряд ли подойдет. в организм ‘Как местный житель. . вы не сможете поцарапать деревянную ногу».

Механические тканевые методы могут быть скелетными — когда используются с затопленной (ампутированной) барьерной тканью. орган Затем она восстанавливается с помощью клеток пациента. Другие исследовательские группы пытались работать со свиными белковыми скаффолдами. органов (Человеческих доноров нет, но вакцинация — серьезная проблема). Скелеты могут быть искусственными — из различных материалов, некоторые научные группы экспериментировали с сахаром.

Миронов сам применяет технологию скелета (используя гидрогель в качестве основы). В этом методе полимерная основа быстро разрушается, в итоге остается только клеточный материал. Проще говоря, клетки вставляются в первую прикрепленную клетку, каркас «растворяется» и его функцию выполняют уже развитые клетки клетки. органа . Материалы, используемые для каркаса, такие же, как и для хирургических швов. Они легко и просто распадаются в организме. человека .

Большой вопрос — зачем нужна трехмерная печать. Чтобы понять это, давайте углубимся в существующие методы создания механических тканей.

Ближе к цели

  1. Вы берете неорганический скелет, засеваете его клетками и получаете конечную орган . Он сырой, но он работает. Именно это и называется «мы напечатали это. орган «. Проблема в том, что вам нужно где-то найти «структурный материал» — сами клетки. А если они у вас есть, то глупо использовать внешний каркас, когда его можно просто сделать орган из них. Самая болезненная проблема, однако, — это неполная эндотелизация. Например, для бронхиальных трубок, изготовленных таким способом, этот показатель составляет около 70 процентов. Это означает, что поверхностный сосуд представляет собой тромбоз, который, исцелив пациента. Это сразу же влечет за собой новое заболевание. Кроме того, ему приходится жить с гепарином или другими препаратами или ждать, пока образуется тромбоз и эмболия. И здесь американским юристам уже не терпится разыграть старую пьесу. А проблема эндотелизации еще не решена. Один из возможных вариантов — изолировать родовые клетки костного мозга с помощью специальных препаратов и самонаводящейся мобилизации. на органе Однако это фантазия, далекая от практического применения.
  2. Второй метод очень оригинален, а ирония судьбы весьма увлекательна. Берутся клетки пациента (фибробласты) и добавляются четыре гена. Клетки помещают в бластоцисту (эмбрион животного), и животное начинает развиваться. Возьмем, к примеру, свинью с человеческой поджелудочной железой, так называемую химеру. Орган полностью «родной», но вся инфраструктура вокруг него (кровеносные сосуды, ткани и т. д.) похожа. — Это от свиней. И они будут отвергнуты. Но это не страшно. Возьмите свинью и отрежьте все, что вам нужно. орган (Свинья полностью съедается.) Затем все ткани свиньи удаляются в ходе специального процесса — это как органический каркас. органа Его можно использовать для создания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующий трюк Заменить свинью суррогатной матерью. Происходит это так: в дополнение к четырем генам в клетку добавляется еще один ген, отвечающий за атрезию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает плод нашего общего друга. Он растет без головы. Анэнцефалия хорошо справляется с этой задачей. На УЗИ обнаруживается, что ребенок неполноценен, и делается законно признанный аборт. Без головы. нет человека Так что мы никого не убили. И бац! — Есть теоретически законный, неразвивающийся биологический материал. органами Пациент. Мы можем пересадить их как можно скорее! Очевидными недостатками, помимо этических аспектов, являются сложность ткани и возможность юридических осложнений в будущем.
  3. И, наконец, третий метод, о котором мы говорим: 3D-печать. Он также является самым современным: 3D-печать. органов Первый — это 3D-печать объекта. Именно этим занимается наша новая лаборатория. Смысл заключается в следующем. Не нужны неорганические каркасы (клетки прекрасно сохранились), не нужно заимствовать у других. органы . Пациенты дают кусочек собственной жировой ткани (жировая ткань есть у всех, но только худые японцы жаловались во время эксперимента), из которой путем последовательной обработки клеток извлекаются необходимые структурные элементы Создается 3D-модель органа Создается 3D-модель, преобразуется в CAD-файл и передается 3D-принтеру, который понимает, как печатать клетки и где «размещать» определенные типы клеток в 3D-пространстве. В результате получается тканевая конструкция, которая должна быть помещена в специальную среду до того, как начнется проблема гипоксии. Тканевые конструкции «созревают» в биореакторе. Затем они могут быть орган Их можно пересаживать пациенту.
  1. Получение модели органа . Вы должны где-то найти чертеж. Это очень просто.
  2. Давайте разберемся с самими клетками. Очевидно, что вам нужен материал для печати. органа .
  3. Соберите принтер так, чтобы можно было печатать клетки (куча проблем со структурообразованием). органа ).
  4. Гипоксия во время создания. органа .
  5. Реализации питания органа Созревает до готовности.

Модель органа

Поэтому используйте модель для получения CAD-файла (сейчас — STL-форма) органа . Самый простой способ получить модель — создать 3-D скан самого пациента и улучшить данные вручную. В настоящее время текущая конструкция смоделирована в AutoCAD.

3D-печать органов человека / Хабр

Моделирование можно увидеть: 3D-конструкция похожа на обычный аксессуар. Вместо пластика — сферическая ткань.

Материал.

Возьмем материал — для печати используется сферическая ткань. В качестве основы используется гидрогель, который выступает в качестве соединительной структуры. Далее на 3D-принтере печатаются отпечатки орган этих сферических тканей.

3D-печать органов человека / Хабр

Первые эксперименты, доказывающие, что из фрагментов можно собрать целые куски орган Ученые разрезали куриные сердца на части и снова соединили их вместе. Успех.

Теперь вопрос в том, где найти клетки этого материала. Лучше всего — стволовые клетки амфибластов человека, из которых можно было бы генерировать клетки для тканей с непрерывной дифференциацией. Однако мы знаем, что трогать их нельзя. Однако мы можем индуцировать многоцелевые стволовые клетки, которые индуцируют IPS. Они могут быть получены из костного мозга, зубной пены или нормальной жировой ткани и производятся различными компаниями по всему миру.

Схема такая: человек Она поступает в клинику, проводится липосакция, жировая ткань замораживается и помещается на склад. При необходимости из нее извлекаются нужные клетки (АТДСК, в России есть такой комплекс), в зависимости от назначения. Например, фибробласты можно использовать для получения ИПС, почечного эпителия, а затем функционального эпителия.

Машины для автоматизированного производства таких клеток выпускает, например, General Electric.

3D-печать органов человека / Хабр

Центрифугирование. Первый шаг в отделении материала от жировой ткани.

Эти клетки образуют шарики на определенных микроинтерфейсах в твердом материале. Суспензия клеток помещается в углубление формы, клетки связываются вместе и образуется шар. Точнее, менее гладкий сфероид.

Обработка строительных блоков

Следующая проблема заключается в том, что клетки кардита сгорают и сливаются. Сфероиды ткани должны быть отделены друг от друга. В противном случае они начнут преждевременно сливаться. Их необходимо восполнять, и для этого используется гиалуроновая кислота, полученная из сыворотки. Это занимает немного времени — всего лишь тонкий слой. Они также «уходят» сразу после печати.

Печать.

В головке 3D-принтера есть три экструдера, две насадки для геля и устройство, распределяющее сфероидную ткань. Первая насадка для геля содержит второй фибриноген — тромбин; два геля остаются относительно неизменными, пока не вступят в контакт. Однако когда белок фибриноген расщепляется тромбином, образуется односторонний фибриноген. Именно он удерживает тканевые сфероиды вместе в виде бетона. Если глубина матраса соответствует диаметру сфероида, то материал можно наносить последовательно рядами — создать слой, закрепить его и перейти к следующему. Затем фибрин легко разрушается в середине и промывается кровью, оставляя только желаемую ткань.

Это позволяет печатать трубы.

Принтер печатает слоями по 250 микрометров. Балансируя между оптимальным размером блоков и риском гипоксии в гранулах, за 30 минут можно напечатать на ткани рисунок размером 10х10 см, но это уже другой вопрос! не орган А рисунки на ткани получаются с «носом». Чтобы структура стала органом Она должна быть живой, иметь определенную форму и функцию.

3D-печать органов человека / Хабр

Микроскоп с огромным фокусным расстоянием исследует стеклянный куб с помощью трехмерного принтера.

3D-печать органов человека / Хабр

Печатающая головка. Пока что продолжается тестирование лент на пластике. Принтер печатает расходные материалы, пластиковые формы и создает сфероиды. В то же время на 3D-принтере продолжается тестирование стерильных боксов с электронными устройствами.

Последующая обработка

Основная проблема заключается в том, что клетки, как правило, имеют доступ к кислороду и питательным веществам, что неплохо. В противном случае они начнут разлагаться. Когда. орган тонкие и не проблемные, но от более чем нескольких миллиметров это важно. Например, у слонов действительно до 5 мм хряща, который уплотняется, когда на остальную массу слона оказывается большее давление. Поэтому для печати необходимо, чтобы он орган Он не распадается в процессе строительства. Необходима микроциркуляция. Для этого используются мелкие отверстия для крови, сделанные минеральными инструментами, а также печатаются настоящие сосуды и капилляры (оптом строительные блоки попадают в полимерную «слюну», а затем удаляются).

Адгезия.

Ткани из разных типов клеток агломерируются без смешивания.

Будущий орган Помещенные в биотопливо. Просто потому, что банки оснащены контролируемой средой с входами и выходами. органа В них поступают нужные вещества и происходит ускоренное созревание под действием факторов роста.

Интересно, что архитектура органа Обычно это выглядит как привычный объект OP OM — артериальный вход, венозный выход — и куча функций внутри него. Предполагается, что биотопливо обеспечит необходимые входы и выходы. Но это пока теория, и мы не смогли собрать другую. Однако на стадии «можно собрать оригинал» проект был доработан.

3D-печать органов человека / Хабр

Мы повесили его в лаборатории. Виден первый этап: приобретение основных элементов, второй — 3D-принтер с тремя экструдерами, третий — переход от оригинала к промышленной модели, затем тестирование на животных, затем переход к IPO и установке на человека.

Вся линия — отделение клеток, производитель сфероидной ткани, принтер, гематопои

Рынок.

Кому это нужно на сцене, пока у него нет своего органов .

Первый крупный заказчик — армия. Собственно, догадаться несложно, поэтому DARPA ходит в гости ко всем ученым, которые занимаются подобной тематикой. есть два применения — тестирование (мало что можно проверить на живом человеке, но еще одно — орган очень полезно) и лечение. Например, чтобы республиканский боец шлепнулся на руку и попал в больницу, нужны сутки. Хорошо бы заткнуть дырку, снять боль, дать им возможность пострелять еще часов пять, а потом прийти к медсестре с двумя своими. Теоретически это может быть либо робот, который соберет все на месте, либо лоскут человеческой ткани, который сейчас всерьез рассматривает возможность нанесения ожога.

Второй заказчик — фармацевтическая промышленность. Там лекарство, прежде чем попасть на рынок, тестируется в течение 15 лет. Американцы шутят, что легче убить коллегу, чем мышь. Мыши требуют много бюрократии в толще рук. В результате сертифицированные мыши стоят очень дорого. А результаты, полученные на животных, отличаются от последствий для человека. Существующие модели плоских клеток животных и тесты на них не очень хорошо валидированы. В моей лаборатории мне сказали, что около 7 % новых препаратов в мире никогда не доходят до клинических испытаний из-за нефротоксичности, выявленной на доклинической стадии. Из тех, кто доходит, около трети имеют проблемы с токсичностью. Кстати, одна из наших первых обязанностей — контролировать работу почек, полученных в лаборатории. Ткани. и органы Принтеры значительно ускоряют разработку лекарств, что означает большие деньги.

Третий клиент — это больницы. Например, рынок трансплантации почек в США составляет 25 миллиардов долларов. Первый шаг — просто продавать 3D-принтеры больницам, чтобы пациенты могли получить то, что им нужно. Следующий (теоретический) шаг — создание печатной сборки. органов В пациенте. Дело в том, что маленькие печатающие головки зачастую гораздо легче попасть в пациента, чем большие. орган . Однако это все еще мечта, но подходящие роботы уже существуют.

3D-печать органов человека / Хабр

Дело в том, как они работают.

Да, здесь есть еще один важный момент. В то же время проводились исследования по управлению вращающимися тканями с помощью магнитной встряски. Первый эксперимент был прост — в ткань вводили железные «наночастицы», и сферы действительно попадали в магнитное поле и вставали на свое место. Однако при этом происходила дифференциация. С опилками сложно выполнить нужную функцию. Следующим логичным шагом стало проникновение матраса в металл. Но еще круче — микросферы с магнитными частицами. Эти скаффолды покрывают сфероиды, а также могут выступать в качестве каркасной смазки, которая точно прилегает к месту. органов .

См. также.

— Компания Сколково — о российской конференции по ренессансной медицине, проведенной этой группой.

Много ссылок на английском языке, рассказывающих о постепенном прогрессе:

3D-печать органов человека / Хабр

Груда бумаг, испачканных Мироновым в его рассказах. Рукописи как у доктора:)

Важные события.

  • Ни один орган 3D-печатные устройства пока не внедрены. человеку . Однако существует около десятка различных случаев, когда подобные «инсталляции» оказывались успешными органов в животных.
  • Миронов уже собрал три операции, оперирующие трехмерными биоинсультами. Две операции находятся в Канаде и одна в Бразилии. Российская установка должна быть лучше всех существующих.
  • Когда сфероиды соединяются, ткани сжимаются — например, почки нужно напечатать в три раза больше, чем у пациента, — и на последнем этапе структура становится нормальной.
  • Теперь мы узнали, как из разных типов тканей сделать такую элементарную вещь, как трубка. Когда функция клетки подтверждена, можно создавать сложные конструкции. Например, из трубок можно легко сделать почки, а из множества почек — почки.
  • Необходимы роботы. В Бронхи, например, есть 10 классов ветвей. Собирать вручную немного утомительно, а пациенты не готовы ждать тысячи лет. Будущее технологии быстрой печати — экструзионные микрогравюры, которые производят до 10 000 капель в секунду. В сочетании с быстрыми роботами они могут обеспечить превосходные результаты.
  • Напечатанные органы Например, контейнер сразу же покрывается внутренней оболочкой. Это очень крутое преимущество. Пациенты не подвергаются риску и не вынуждены принимать таблетки до конца жизни.
  • Контрольные точки ближайшего будущего: патентные дипломы РФ, полностью собранные принтеры, научные или натуральные изделия.
  • Первые почки появятся в 2030-х годах. Сначала она будет стоить как космос, но по мере развития технологий часто будет дешевле, чем другие органы для трансплантации уже сейчас.
  • 3D
  • органы
  • ГЕМАТОПОЭЗ
  • Вращение тканей
  • Биодеградация
  • деление клеток
  • Регенеративная медицина
  • Мыши
  • Ацефалы
  • Химеры и другие друзья человека
Оцените статью