Ожидается, что изготовленная на 3D-принтере ткань печени появится уже в этом году

В Organovo, однако, заявляют, что до определенной степени решили проблему с сосудами. «Мы добились формирования полностью функционирующей ткани печени толщиной больше 500 мкм и сумели поддерживать ее жизнь в течение 40 дней», — сообщил Майк Ренард, исполнительный вице-президент Organovo по коммерческим операциям. Для сравнения, толщина листа офисной бумаги — 100 мкм.

Но просто скомпоновать друг с другом на принтере гепатоциты — клетки, составляющие большую часть печени, недостаточно. Чтобы создать живой человеческий орган, придется скомбинировать клетки многих типов, выполняющие различные функции.

Исследователи из Organovo сумели объединить клетки соединительной ткани с эндотелиальными, которые отвечают за формирование мелких сосудистых сетей, и благодаря этому получить достаточно толстый слой ткани с хорошей выживаемостью клеток, объясняет Ренард.

Модель печеночной ткани, которую в Organovo рассчитывают выпустить в этом году, предназначена только для исследовательских нужд: она будет использоваться в лабораторных условиях, в частности при разработке лекарственных средств. Это чрезвычайно важное применение: сейчас разработка нового препарата обходится в среднем в 1,2 млрд долл. и занимает 12 лет.

Organovo пока не публиковала никакой информации о возможности изготовления имплантируемых органов. Любым подобным проектам придется пройти тщательную государственную проверку, чтобы получить разрешение на клиническое применение.

Но так или иначе, создание жизнеспособной печени — это переломный момент в медицине, поскольку будет доказано, что изготовленная способом распечатки ткань может прожить достаточно долго, чтобы на ней можно было проверять действие лекарств или чтобы имплантировать ее в человеческое тело, где она сможет развиваться.

«Сейчас еще слишком рано рассуждать о широте применений тканевой инженерии или о том, какие блага она принесет», — полагает Ренард. По его мнению, говорить о каких-либо успехах можно будет, обеспечив возможность продолжения саморазвития ткани и по завершении клинических испытаний, которые могут быть проведены после рассмотрения этой технологии Управлением по пищевым продуктам и медикаментам. В целом процесс может занять от трех до десяти лет.

Чтобы подстегнуть прогресс в области создания биораспечатываемых органов, некоммерческий фонд Methuselah Foundation, поддерживающий исследования в области регенеративной медицины, объявил о премии в 1 млн долл., которая достанется организации, сумевшей первой распечатать полностью дееспособную печень.

На сегодня в США около 120 тыс. человек ждут органы для пересадки, но и тем, кому удается получить трансплантат, грозит риск его отторжения. Однако если для регенерации живого органа удастся использовать собственные стволовые клетки пациента, проблема отторжения исчезнет.

На исследования в области регенерации полноценных органов сегодня в США выделяется меньше 500 тыс. долл. в год, тогда как онкология получает по 5 млрд долл., а исследования ВИЧ/СПИД — по 2,8 млрд долл, отмечается в объявлении фонда о проведении конкурса. «Регенеративная медицина — это будущее здравоохранения, однако сейчас данная область не получает должного внимания», — полагает Дэвид Гобел, глава Methuselah Foundation.

Органы на кристалле

Может пройти еще более десяти лет, прежде чем FDA разрешит проведение испытаний распечатываемых органов на людях. Тем не менее возможность создания живой ткани обещает революцию в медицине.

Распечатка жизнеспособной ткани позволит фармацевтическим компаниям тестировать лекарства на человеческих органах, а не на животных, получая более точные результаты.

Сегодня в разработке лекарств используются тончайшие слои ткани различных человеческих органов — так называемые органы или организмы на кристалле. Уже много лет как появилась возможность выращивать тонкую ткань кожи для временных графтов, которые выполняют роль пластыря, помогающего заживлению раны. В последнее время 3D-печать способствовала прогрессу в этой области.

«Бионическое» ухо из Принстона было распечатано в чашке Петри с помощью модифицированного струйного принтера. Источник: Princeton University

Взамен кропотливой работы по ручному укладыванию клеток применяется автоматизированный процесс, высокоточный и воспроизводимый: клетки укладываются с помощью шприца, направляемого роботом под руководством компьютерной программы.

«Переход на 3D-печать обеспечил повторяемость и автоматизацию процесса изготовления графтов», — отметил Джордан Миллер, доцент биоинженерии Университета Райса. Недавно при его участии в стенах вуза была открыта лаборатория микротехнологий, а до этого Миллер много лет проработал в аналогичной лаборатории на факультете биоинженерии Пенсильванского университета.

Чтобы создать жизнеспособную ткань, необходимо полное понимание ее строения. Но, несмотря на колоссальный объем знаний о человеческом организме, процессы формирования ткани на клеточном и подклеточном уровнях до сих пор по большей части остаются за гранью понимания ученых. Печень человека состоит примерно из 40 разных типов клеток, в том числе клеток Купфера, отвечающих за удаление клеточного «мусора» из крови, звездчатых эндотелиоцитов, регенерирующих мертвую и поврежденную ткань, а также синусоидальных эндотелиоцитов, из которых состоит внутренняя поверхность кровеносных сосудов.

«Перед нами сложнейшая задача, — отмечает Миллер. — У нас нет полных знаний о всех структурах организма, мы все еще изучаем их, и поэтому пока не понимаем, до какой степени необходимо реконструировать все особенности. Есть предварительные сведения, что, возможно, воссоздавать все функции и не придется».

По мнению Миллера и других ученых, если удастся хотя бы частично создать ткань органа, то после имплантации она продолжит расти и сформируется в организме в полноценный орган.

«Мы добились успехов с тонкими тканями, включая кожу, роговицу глаза и мочевой пузырь, — отметил Миллер. — Но если говорить о биохимических функциях печени или почек, все сложнее. Некоторые из клеток, которые мы хотели бы распечатывать, поддерживать в живом состоянии невероятно трудно».

Если для кожного графта достаточно десяти клеточных слоев, то для печени исследователи пытаются сформировать по 5-10 тыс. слоев, добавил он.

Просто добавьте воды и сахара

Для распечатки толстых тканей также необходима возможность формирования сосудистой системы, которая будет поддерживать жизнь органа.

Один из возможных подходов — создание временного «каркаса» из «сахарного стекла» — смеси сахара и воды, которая служит опорой клеткам, формирующим в конечном итоге кровеносные сосуды. Похожим образом отливают бронзовые статуи: вначале изготавливается форма, а потом ее заполняют металлом. В случае органов роль мнталла выполняют живые клетки.

Миллер и другие исследователи добились некоторых успехов в создании кровеносных структур с использованием сахарного стекла — из этого же состава изготавливаются окна и другие «стеклянные» предметы, которые разбивают в кино.

«Сперва мы отливаем шаблон, а потом растворяем сахарное стекло, оставляя сосудистую сетку, — объясняет Миллер. — Будучи весьма твердым, сахар отлично справляется с задачей ее поддержки».

Пользуясь сахарным стеклом как каркасом, исследователи во главе с Миллером продвинулись вперед в деле формирования печеночной ткани. На сегодня им удалось создать фрагмент такой ткани размером с ноготь большого пальца и поддерживать его жизнь в течение двух недель.

Замена ушей и молочных желез

Когда-нибудь 3D-принтеры, возможно, позволят восстанавливать молочные железы у перенесших рак. Источник: TeVido BioDevices

В прошлом году исследователи из Принстонского университета изготовили действующее ухо на видоизмененном струйном принтере. Они объявили, что созданный ими орган способен слышать гораздо более широкий диапазон частот, чем человек, благодаря тому что в процессе выращивания ткани в чашке Петри ее скомбинировали с электроникой: в живую клеточную культуру, из которой была выращена хрящевая ткань, исследователи внедрили миниатюрную рамочную антенну.

Как сообщил Скотт Коллинз, директор по технологиям и вице-президент по исследованиям и разработкам TeVido BioDevices, его компания реализует первые стадии проекта по биораспечатке из живых клеток имплантатов и графтов для пациенток, переживших рак молочной железы.

Только в 2013 году этот диагноз был поставлен примерно 300 тыс. жительницам Соединенных Штатов, и около 60% из них предпочли удаление опухоли в качестве способа лечения. По сведениям TeVido BioDevices, по меньшей мере четверть пациенток, проходящих лампэктомию, не удовлетворены своей внешностью после операции.

В TeVido разрабатывают имплантат из жировых и кожных клеток, в котором предполагается использовать собственные клетки пациентов. Благодаря этому ткань не будет отторгаться и приобретет естественную форму и цвет.

«На сегодня существуют грудные имплантаты, восстанавливающие форму молочной железы, но что касается воссоздания соска и ореола, прогресс невелик, — отметил Коллинз. — Пигмент вводится просто методом татуировки и со временем выцветает».