Первое сердце
Боевик с элементами научной фантастики «Без лица» вышел в прокат в 1997 году — в нем Джон Траволта и Николас Кейдж поменялись лицами путем пересадки кожного покрова. Тогда такая операция была действительно лишь фантастикой, однако современные технологии позволяют зайти намного дальше: не только трансплантировать фрагменты кожи или целые органы, но и воссоздать их.
Израильские исследователи сумели напечатать на 3D-принтере сердце, причем не игрушку из пластика, а реагирующий орган из тканей человека. Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти во многих странах мира. Когда речь заходит о тяжелых формах заболевания, то трансплантация сердца является единственным методом лечения пациентов с терминальной (необратимой) стадией сердечной недостаточности. Однако дефицит доноров, а также высокий риск отторжения имплантированного органа заставляют ученых искать новые подходы решения задач.
Израильтяне сконструировали орган пока не полноразмерным, а в миниатюре — не больше ягоды вишни. Со слов биолога Тала Двира из Тель-Авивского университета, их детище отличается тем, что создано из тканей человека, а не каких-то синтетических материалов, как это делалось прежде. Сердце пока еще не работает полноценно. То есть оно может сокращаться, но не способно перегонять через себя кровь. И прежде чем его можно будет назвать полноценным сердцем, ученым предстоит «научить» клетки сокращаться синхронно.
Исследователи опубликовали свои разработки с описанием в научном журнале Advanced Science. В статье эксперты раскрывают механику создания органа нового поколения. «Мы проводим биопсию жировой ткани пациента, — объяснил суть процесса биолог, ведущий автор исследования Тал Двир из Тель-Авивского университета. — Жировые клетки пациента перепрограммируются в стволовые клетки, которые, в свою очередь, дифференцируются в клетки сердца, эндотелиальные клетки и другие».
Эксперт разъяснил, что внеклеточный материал, такой как структурные белки, они перерабатывали в гидрогели, которые затем смешивали с клетками разных типов. Из преобразованных клеток 3D-принтер генерировал сердце. Это первый случай, когда получилось успешно спроектировать и напечатать целое сердце — с клетками, кровеносными сосудами, желудочками и камерами.
«Прежде использовали синтетические вещества или другие натуральные ткани, — подчеркивает Двир. — Сердце полностью совместимо с пациентом, потому что оно сделано из собственной ткани больного, и, следовательно, иммуногенной реакции не будет». Следующий этап проекта — созревание прототипа человеческого сердца в специальном биореакторе. В течение года такие сердца должны экспериментально проверить на кроликах или крысах. Пока неясно, как скоро можно пересаживать «напечатанные» сердца людям. Двир сказал, что потребуется «еще много лет» на отработку этой технологии — технологии создания функционирующего человеческого органа.
Счастливые клетки
Технология 3D-биопринтинга для изготовления биологических конструкций, как правило, включает в себя размещение клеток на биосовместимой основе с использованием послойного метода генерации трехмерных структур биологических тканей. Первый патент, относящийся к этой технологии, был подан в США в 2003 году и получен в 2006 году. Поскольку ткани в организме состоят из различных типов клеток, технологии их изготовления путем 3D-биопринтинга также существенно различаются по способности обеспечить стабильность и жизнеспособность клеток.
Примечательно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны напечатать костные и хрящевые имплантаты, а также создавать сложные биологические продукты питания, в состав которых входят жиры, белки, углеводы и витамины. Первые принтеры для биопечати были далеко не совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях. В 2000 году биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК. Оказалось, что размер человеческой клетки сопоставим с размером капли стандартных чернил и составляет примерно 10 микрон. И уже тогда исследования показали, что 90 процентов клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В зависимости от типа используемой машины рабочий материал может подаваться из диспенсера под видом постоянной струи или дозированными капельками. Такой подход используют для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток — штучной кожи и хрящей. Костные имплантаты печатаются методом послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D-принтере состоялся в 2006 году. Группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine раз работала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри. Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела. Через полтора месяца в ходе интенсивного роста и последующего деления клеток ученые воссоздали человеческий орган.
В другой лаборатории под руководством регенеративного хирурга Энтони Атала выращивают до 30 различных видов клеток и органов, а также хрящи и кости. Одни из последних достижений команды — уши и носы, выращенные вне тела человека. Многие пациенты Аталы — военные, пострадавшие в результате боевых действий.
Работает это так: сначала делается компьютерная томография уха или носа. Кстати, на этом этапе люди нередко просят улучшить форму носа, если свой им казался слишком широким или крючковатым, и ушей, если те были уж очень развесисты. А почему нет? Если уж воссоздавать, то идеал. После этого пишут специальный компьютерный код и начинают печать основы органов. Для этого используют саморассасывающийся полимер — поликапролактам. Одновременно и гибкий, и прочный, в теле человека он распадается в течение четырех лет. После печати слои поликапролактама напоминают кружево, их место после трансплантации уже через несколько лет займут собственные хрящевые ткани человека. Затем поликапролактам насыщают созданным из клеток пациента гелем, охлажденным до 18 градусов Цельсия. Таким образом, клетки, по словам ученых, не повреждаются, они «живы и счастливы».
Будущий имплантат печатают четыре- пять часов, затем окончательно формируют и вставляют под эпидермис.
Хочется, но колется
Выращивать можно и кожу: первыми в ранних испытаниях Аталы принимали участие пострадавшие в пожарах дети — после «распечатки» кожи ученые еще несколько лет наблюдали за пациентами. Новая кожа не трескалась, не лопалась и росла вместе с детьми. Самая сложная работа, по словам ученого, — раны лица: мало просто натянуть кожу, нужно точно рассчитать геометрию, выверить припухлости, строение костей и понять, как после этого будет выглядеть человек. Кроме кожи и ушей Атала может напечатать кости челюстей, вырастить кровеносные сосуды и клетки некоторых органов — печени, почек, легких. Эту технологию особенно ценят онкологи: на основе клеток пациентов можно воссоздать реакцию организма на разные виды химиотерапии и наблюдать за реакцией на тот или иной тип лечения в лабораторных условиях, а не на живом человеке.
Другой опыт, являющийся предметом гордости, — создание (или выращивание) в лаборатории вагины для девочки, родившейся с врожденной деформацией половых органов. С момента пересадки прошло уже несколько лет, и на этом этапе можно утверждать, что эксперимент прошел удачно.
Кстати, команда также трудится над созданием работоспособного пениса. Эти исследования продолжаются уже несколько лет, и больше всего хлопот ученым доставляют сложная структура тканей и специфическая чувствительность самого органа. Однако в случае успеха в коммерческой сфере откроется невероятный потенциал. Чего стоит один только тайский «рынок», где операции по смене пола делают чаще, чем татуировки.
Создание новых челюстей, ушей и даже половых органов восхищает, однако это не те органы, которые являются жизненно важными. Более сложные, такие как полноценные печень, почки, сердце и легкие, пока не удалось вырастить ни одному регенеративному хирургу. Исключением является эксперимент израильских ученых, результаты которого в долгосрочной перспективе пока неизвестны.
По мнению профессора Хорхе Ракелы, гастроэнтеролога в исследовательском центре Mayo Clinic, биопечать — одна из самых потрясающих отраслей современной медицины, за ней огромный потенциал, и переломный момент самых важных открытий уже близок.
Между тем Пит Басильер, руководитель отдела по научно-исследовательской работе аналитической компании Gartner, настаивает: технологии развиваются намного быстрее, чем понимание тех последствий, которые может повлечь за собой 3D-печать. Подобные разработки, по словам Басильера, даже созданные с самыми благими намерениями, рождают набор вопросов: что случится, когда создадут улучшенные органы, основой которых станут не только человеческие клетки? Будут ли они обладать суперспособностями? Будет ли создан контролирующий орган, следящий за их производством? Кто будет проверять качество этих органов? Согласно докладу Национальной медицинской библиотеки США, в очередь на пересадку органов каждый год встают больше 150 тысяч американцев. Донорские органы получат только 18 процентов из них; каждый день в Штатах, так и не дождавшись трансплантации, умирают 25 человек.
Напечатать органы для тысяч нуждающихся в пересадке прямо сейчас биоинженеры пока не в состоянии, а на то, чтобы заменить донорские органы выращенными, уйдет еще несколько десятков лет.
