Друк органів — використовування методів, схожих на звичайний 3D-друк, коли комп’ютерна модель подається на принтер, який наносить послідовні шари пластику або воску, доки не буде створено 3D-об’єкт. У випадку друку органів матеріалом, який використовує принтер, є біосумісний пластик. Біосумісний пластик утворює каркас, який діє як скелет для органу, який друкується. Коли пластик укладається, він також засівається людськими клітинами з органу пацієнта, для якого друкується. Після друку орган переноситься в інкубаційну камеру, щоб дати клітинам час вирости. Через достатню кількість часу орган імплантують пацієнту.
Кінцевою метою друку органів є створення органів, які можуть повністю інтегруватися в людське тіло, ніби вони були там весь час. Успішний друк органів може вплинути на кілька галузей. До них належать трансплантація штучних органів, фармацевтичні дослідження та підготовка лікарів і хірургів.
Історія
Сфера органного друку виникла в результаті досліджень у галузі стереолітографії, основи для практики 3D-друку, винайденої в 1984 році. У цю ранню еру 3D-друку було неможливо створювати довговічні об’єкти, оскільки матеріали, які використовувалися, не були дуже міцними. Тому на початку 3D-друк використовувався просто як спосіб моделювання потенційних кінцевих продуктів, які в кінцевому підсумку будуть виготовлені з різних матеріалів за більш традиційними методами. На початку 1990-х років були розроблені нанокомпозити, які дозволили 3D-друкованим об’єктам бути більш міцними, дозволяючи використовувати 3D-друковані об’єкти не лише для створення моделей. Приблизно в цей час представники медицини почали розглядати 3D-друк як шлях до створення штучних органів. До кінця 1990-х медичні дослідники шукали біосумісні матеріали, які можна було б використовувати в 3D-друкі.
Концепція біодруку була вперше продемонстрована в 1988 році. У той час дослідник використовував модифікований струменевий принтер HP для осадження клітин за допомогою технології цитоскрибування. Прогрес продовжився в 1999 році, коли перший штучний орган, виготовлений за допомогою біодруку, був надрукований командою вчених під керівництвом доктора Ентоні Атали з Інституту регенеративної медицини Вейк-Форест. Вчені з Wake Forest надрукували штучний каркас для сечового міхура людини, а потім засіяли каркас клітинами свого пацієнта. Використовуючи цей метод, вони змогли виростити функціонуючий орган, і через десять років після імплантації у пацієнта не було серйозних ускладнень.
Після сечового міхура у Вейк-Форест були зроблені кроки до друку інших органів. У 2002 році була надрукована мініатюрна повністю функціональна нирка. У 2003 році доктор Томас Боланд з Університету Клемсона запатентував використання струменевого друку для клітин. Цей процес використовував модифіковану систему спотингу для осадження клітин в організовані 3D матриці, розміщені на підкладці. Цей принтер дозволив провести обширні дослідження біодруку та відповідних біоматеріалів. Наприклад, після цих перших знахідок 3D-друк біологічних структур отримав подальший розвиток, щоб охопити виробництво структур тканин і органів, на відміну від клітинних матриць. Крім того, було досліджено більше методів друку, таких як екструзійний біодрук, які згодом були представлені як засіб виробництва.
У 2004 році сферу біодруку кардинально змінив ще один новий біопринтер. Цей новий принтер зміг використовувати живі людські клітини без необхідності спочатку будувати штучний каркас. У 2009 році компанія Organovo використала цю нову технологію для створення першого комерційно доступного біопринтера. Незабаром після цього біопринтер Organovo був використаний для розробки біорозкладаної кровоносної судини, першої у своєму роді, без клітинного каркаса.
У 2010-х роках і пізніше були розпочаті подальші дослідження щодо створення інших органів, таких як клапани печінки та серця, і тканин, таких як кровоносна мережа, за допомогою 3D-друку. У 2019 році вчені в Ізраїлі зробили великий прорив, коли їм вдалося надрукувати серце розміром із кролика з мережею кровоносних судин, здатних скорочуватися, як природні кровоносні судини. Надруковане серце мало правильну анатомічну структуру та функцію порівняно зі справжніми серцями. Цей прорив представляв реальну можливість друку повністю функціонуючих людських органів. Насправді вчені з Варшавського фонду досліджень і розвитку науки в Польщі працювали над створенням повністю штучної підшлункової залози за допомогою технології біодруку. На сьогоднішній день ці вчені змогли розробити діючий прототип. Ця галузь розвивається, і багато досліджень все ще проводяться.
Україно-американський стартап A.D.A.M. розробив методику друку кісток на біо-3D-принтері.
Техніка 3D друку
Тривимірний друк для виготовлення штучних органів був основною темою вивчення біологічної інженерії. У міру того як технології швидкого виробництва, пов’язані з 3D-друком, стають дедалі ефективнішими, їх застосування в штучному синтезі органів стає все більш очевидним. Деякі з основних переваг 3D-друку полягають у його можливості масового виробництва будівельних каркасів, а також у високому ступені анатомічної точності каркасних виробів. Це дозволяє створювати конструкції, які більш ефективно нагадують мікроструктуру природного органу або структури тканини. Друк органів за допомогою 3D-друку може здійснюватися за допомогою різноманітних технік, кожна з яких надає певні переваги, які можуть підійти для певного типу виробництва органів.
Жертовний запис у функціональну тканину (SWIFT)
Жертовний запис у функціональну тканину (SWIFT) — це метод друку органів, коли живі клітини щільно упаковуються, щоб імітувати щільність, яка відбувається в людському тілі. Під час пакування тунелі висічені, щоб імітувати кровоносні судини, через які доставляються кисень і необхідні поживні речовини. Ця техніка об’єднує інші методи, які лише упаковували клітини або створювали серцево-судинна систему. SWIFT поєднує в собі обидва й є вдосконаленням, яке наближає дослідників до створення функціональних штучних органів.
Стереолітографічний (SLA) 3D біодрук
Цей метод друку органів використовує просторово контрольоване світло або лазер для створення 2D візерунка, який шарується шляхом селективної фотополімеризації в резервуарі біочорнила. Потім 3D-структуру можна побудувати шарами за допомогою 2D-шаблону. Після цього біочорнило видаляється з кінцевого продукту. Біодрук SLA дозволяє створювати складні форми та внутрішні структури. Роздільна здатність цього методу надзвичайно висока, і єдиним недоліком є нестача біосумісних смол.
Краплинний біодрук (струменевий)
Краплинний біодрук створює клітинні розробки з використанням крапель певного матеріалу, який часто поєднується з клітинною лінією. Самі клітини також можуть бути осаджені таким чином з полімером або без нього. Під час друку полімерних каркасів за допомогою цих методів кожна крапля починає полімеризуватися при контакті з поверхнею підкладки та зливається у більшу структуру, коли краплі починають об’єднуватися. Полімеризація може відбуватися різними методами залежно від використовуваного полімеру. Наприклад, полімеризація альгінату починається за допомогою іонів кальцію в підкладці, які дифундують у зріджені біочорнила та дозволяють утворювати міцний гель. Краплинний біодрук широко використовується через його продуктивну швидкість. Однак це може зробити його менш придатним для більш складних структур органів.
Екструзійний біодрук
Екструзійний біодрук включає послідовне оформлення конкретної друкованої тканини та клітинної лінії з екструдера, свого роду портативної друкувальної голівки. Це, як правило, є більш контрольованим і м’яким способом обробки даних тканини або клітини, а також дозволяє використовувати більш помітну щільність клітин під час розробки 3D-структур тканини або органу. У будь-якому випадку ці переваги нівелюються меншою швидкістю друку, пов’язаною з цією процедурою. Екструзійний біодрук часто поєднується з ультрафіолетовим світлом, яке фотополімеризує надруковану тканину для створення більш стійкої, скоординованої конструкції.
Моделювання плавленого осадження
Моделювання плавленого осадження (FDM) є більш поширеним і недорогим у порівнянні з вибірковим лазерним спіканням. У цьому принтері використовується друкуюча головка, схожа за структурою на струменевий принтер; однак чорнило не використовується. Пластикові кульки нагріваються при високій температурі та вивільняються з друкуючої головки, коли вона рухається, створюючи об’єкт тонкими шарами. З FDM-принтерами можна використовувати різноманітні пластики. Крім того, більшість деталей, надрукованих FDM, зазвичай складаються з тих самих термопластів, які використовуються в традиційних методах лиття під тиском або механічної обробки. Завдяки цьому ці деталі мають аналогічні характеристики довговічності, механічних властивостей і стабільності. Контроль точності дозволяє забезпечити постійну кількість вивільнення та нанесення на конкретне місце для кожного шару, що впливає на форму. Коли нагрітий пластик осідає з друкуючої головки, він сплавляється або з’єднується з нижніми шарами. У міру того, як кожен шар охолоджується, вони твердіють і поступово набувають твердої форми, яка повинна бути створена, оскільки до структури додається більше шарів.
Селективне лазерне спікання
Вибіркове лазерне спікання (SLS) використовує порошкоподібний матеріал як субстрат для друку нових об’єктів. SLS можна використовувати для створення металевих, пластикових і керамічних предметів. Ця техніка використовує лазер, керований комп’ютером, як джерело енергії для спікання порошкоподібного матеріалу. Лазер створює поперечний переріз потрібного об'єкта в порошку, який сплавляє його разом у тверду форму. Потім наноситься новий шар порошку, і процес повторюється, створюючи кожен шар з кожним новим нанесенням порошку, один за іншим, щоб сформувати цілісний об’єкт. Однією з переваг SLS-друку є те, що він вимагає дуже мало додаткових інструментів, тобто шліфування, після того, як об’єкт надруковано. Останні досягнення в друку органів за допомогою SLS включають тривимірні конструкції черепно-лицьових імплантатів, а також каркаси для інженерії серцевої тканини.
Поліграфічні матеріали
Матеріали для друку мають відповідати широкому спектру критеріїв, одним із яких є біосумісність. Отримані каркаси, утворені 3D-друкованими матеріалами, повинні бути фізично та хімічно відповідними для проліферації клітин. Здатність до біологічного розкладання є ще одним важливим фактором, який гарантує, що штучно сформована структура може бути зруйнована після успішної трансплантації та замінена повністю природною клітинною структурою. Через природу 3D-друку використовувані матеріали мають бути адаптованими та адаптованими до широкого спектру типів клітин і структурних конформацій.
Природні полімери
Матеріали для 3D-друку зазвичай складаються з полімерів альгінату або фібрину, які були інтегровані з молекулами клітинної адгезії, які підтримують фізичне прикріплення клітин. Такі полімери спеціально розроблені для підтримки структурної стабільності та сприйнятливості до клітинної інтеграції. Термін біочорнило використовувався як широка класифікація матеріалів, які сумісні з 3D біодруком. Гідрогелеві альгінати стали одним із найбільш часто використовуваних матеріалів у дослідженнях друку органів, оскільки вони легко налаштовуються та можуть бути налаштовані для імітації певних механічних і біологічних властивостей, характерних для природних тканин. Здатність гідрогелів адаптуватися до конкретних потреб дозволяє використовувати їх як адаптований каркасний матеріал, який підходить для різноманітних структур тканин або органів і фізіологічних умов. Основною проблемою при використанні альгінату є його стабільність і повільне розкладання, що ускладнює руйнування штучних гелевих каркасів і заміну власним позаклітинним матриксом імплантованих клітин. Альгінатний гідрогель, придатний для екструзійного друку, також часто є менш міцним структурно та механічно; однак ця проблема може бути вирішена шляхом включення інших біополімерів, таких як наноцелюлоза, для забезпечення більшої стабільності. Властивості альгінатних або змішаних полімерних біочорнил налаштовуються та можуть бути змінені для різних застосувань і типів органів.
Інші природні полімери, які використовувалися для друку тканин і 3D-друку органів, включають хітозан, гідроксиапатит (ГА), колаген і желатин. Желатин є термочутливим полімером із властивостями, що демонструють чудову розчинність у зносі, здатність до біологічного розкладання, біосумісність, а також низьку імунологічну відторгнення. Ці якості є перевагами та призводять до високого сприйняття тривимірного біодрукованого органу при імплантації in vivo.
Синтетичні полімери
Синтетичні полімери виробляються людиною шляхом хімічних реакцій мономерів. Їх механічні властивості сприятливі тим, що їх молекулярну масу можна регулювати від низької до високої на основі різних вимог. Однак відсутність у них функціональних груп і структурна складність обмежили їх використання в органному друку. Сучасні синтетичні полімери з відмінною придатністю для 3D-друку та сумісністю з тканинами in vivo включають поліетиленгліколь (PEG), полі(молочну гліколеву кислоту) (PLGA) і поліуретан (PU). PEG — це біосумісний, неімуногенний синтетичний поліефір, який має регульовані механічні властивості для використання в 3D біодруку. Хоча PEG використовувався в різних програмах 3D-друку, відсутність доменів клітинного адгезиву обмежує подальше використання в друку органів. PLGA, синтетичний сополімер, широко відомий серед живих істот, таких як тварини, люди, рослини та мікроорганізми. PLGA використовується в поєднанні з іншими полімерами для створення різних систем матеріалів, включаючи PLGA-желатин, PLGA-колаген, усі з яких покращують механічні властивості матеріалу, є біосумісними при розміщенні in vivo та мають регульовану біодеградацію. PLGA найчастіше використовується в друкованих конструкціях для регенерації кісток, печінки та інших великих органів. Нарешті, ПУ унікальний тим, що його можна класифікувати на дві групи: біологічно розкладані та не біологічно розкладані. Завдяки чудовим механічним і біоінертним властивостям він використовується в галузі біодруку. Застосуванням ПУ можуть бути неживі штучні серця; однак за допомогою існуючих 3D-біопринтерів цей полімер неможливо надрукувати. Було створено новий еластомерний ПУ, що складається з мономерів PEG і полікапролактону (PCL). Цей новий матеріал демонструє чудову біосумісність, здатність до біологічного розкладання, здатність до біодруку та біостабільність для використання у складному друку та виробництві біоштучних органів. Завдяки високій структурі судинної та нейронної мережі цей матеріал можна застосовувати для друку різних органів, таких як мозок, серце, легені та нирки.
Природно-синтетичні гібридні полімери
Природно-синтетичні гібридні полімери засновані на синергічному ефекті синтетичних і біополімерних компонентів. Желатин-метакрилоїл (GelMA) став популярним біоматеріалом у сфері біодруку. GelMA показала, що він має життєздатний потенціал як матеріал для біочорнил завдяки відповідній біосумісності та легко регульованим психохімічним властивостям. Гіалуронова кислота (HA)-PEG є ще одним природно-синтетичним гібридним полімером, який виявився дуже успішним у застосуванні біодруку. ГК у поєднанні з синтетичними полімерами допомагає отримати більш стабільні структури з високою життєздатністю клітин і обмеженою втратою механічних властивостей після друку. Нещодавнє застосування HA-PEG у біодрукі – це створення штучної печінки. Нарешті, серія біорозкладних гібридних полімерів поліуретану (PU) і желатину з регульованими механічними властивостями та ефективними темпами деградації була застосована в органному друку. Цей гібрид має здатність друкувати складні конструкції, наприклад конструкцію у формі носа.
Усі полімери, описані вище, мають потенціал для виготовлення імплантованих біоштучних органів для цілей, включаючи, але не обмежуючись цим, індивідуальне відновлення органів, скринінг ліків, а також аналіз метаболічної моделі.
Джерела клітин
Створення повного органу часто вимагає включення різноманітних різних типів клітин, розташованих різними способами та шаблонами. Однією з переваг 3D-друкованих органів порівняно з традиційними трансплантатами є можливість використання клітин, отриманих від пацієнта, для створення нового органу. Це значно зменшує ймовірність відторгнення трансплантата та може позбавити потреби в імуносупресивних препаратах після трансплантації, що зменшить ризик трансплантації для здоров’я. Однак, оскільки не завжди можливо зібрати всі необхідні типи клітин, може знадобитися зібрати дорослі стовбурові клітини або індукувати плюрипотентність у зібраній тканині. Це передбачає ресурсомісткий ріст і диференціювання клітин і пов’язане з власним набором потенційних ризиків для здоров’я, оскільки проліферація клітин у надрукованому органі відбувається поза тілом і вимагає зовнішнього застосування факторів росту. Проте здатність деяких тканин до самоорганізації в диференційовані структури може забезпечити спосіб одночасного конструювання тканин і формування окремих клітинних популяцій, покращуючи ефективність і функціональність друку органів.
Типи принтерів і процеси
Типи принтерів, які використовуються для друку органів, включають:
- Струменевий принтер
- Мультинасадка
- Гібридний принтер
- Електропрядіння
- Висадка на вимогу
Ці принтери використовуються в методах, описаних раніше. Кожен принтер вимагає різних матеріалів і має свої переваги та обмеження.
Застосування
Донорство органів
В даний час єдиним методом лікування для людей з органною недостатністю є очікування трансплантації від живого або нещодавно померлого донора. Лише в Сполучених Штатах більше 100 000 пацієнтів перебувають у списку трансплантації органів, які очікують на отримання донорських органів. Пацієнти зі списку донорів можуть чекати дні, тижні, місяці чи навіть роки, поки відповідний орган стане доступним. Середній час очікування на пересадку деяких звичайних органів такий: чотири місяці для серця або легенів, одинадцять місяців для печінки, два роки для підшлункової залози та п’ять років для нирки. Це значне збільшення в порівнянні з 1990-ми роками, коли пацієнт міг чекати лише п’ять тижнів на серце. Цей тривалий час очікування пояснюється нестачею органів, а також необхідністю пошуку органу, який підходить реципієнту. Орган вважається придатним для пацієнта на основі групи крові, порівнянного розміру тіла донора та реципієнта, тяжкості медичного стану пацієнта, тривалості часу, протягом якого пацієнт чекав на орган, доступності пацієнта (тобто можливості зв’язатися з пацієнтом). , якщо пацієнт має інфекцію), близькість пацієнта до донора та час життєздатності донорського органу. У Сполучених Штатах щодня в очікуванні органів помирає 20 людей. 3D-друк органів має потенціал для усунення обох цих проблем; якби органи можна було друкувати, як тільки виникне потреба, не було б дефіциту. Крім того, посів друкованих органів власними клітинами пацієнта усуне необхідність перевірки донорських органів на сумісність.
Лікарська та хірургічна підготовка
Хірургічне використання 3D-друку розвинулося від друку хірургічних інструментів до розробки індивідуальних технологій для повної заміни суглобів, зубних імплантатів і слухових апаратів. У сфері друку органів можна застосовувати програми для пацієнтів і хірургів. Наприклад, надруковані органи використовували для моделювання структури та травми, щоб краще зрозуміти анатомію та обговорити з пацієнтами режим лікування. Для цих випадків функціональність органу не потрібна і використовується для підтвердження концепції. Ці моделі органів забезпечують прогрес для вдосконалення хірургічних методів, навчання недосвідчених хірургів і переходу до індивідуального лікування пацієнтів.
Фармацевтичні дослідження
Технологія 3D-друку органів дозволяє виготовляти органи високого рівня складності з високою відтворюваністю, швидким і економічно ефективним способом. 3D-друк використовувався у фармацевтичних дослідженнях і виробництві, забезпечуючи трансформаційну систему, що дозволяє точно контролювати розмір краплі та дозу, персоналізовану медицину та виробництво складних профілів вивільнення ліків. Ця технологія потребує імплантованих пристроїв для доставки ліків, у яких ліки вводять у 3D-друкований орган і вивільняють один раз in vivo. Крім того, друк органів використовувався як трансформаційний інструмент для тестування in vitro. Надрукований орган може бути використаний для відкриття та дослідження дозування факторів вивільнення ліків.
Орган-на-чіпі
Технологію друку органів також можна поєднати з мікрофлюїдною технологією для створення органів на чіпах. Ці органи-на-чіпах мають потенціал для використання в моделях захворювань, допомоги у відкритті ліків і виконання високопродуктивних аналізів. Органи на чіпах працюють, забезпечуючи 3D-модель, яка імітує природний позаклітинний матрикс, що дозволяє їм відображати реалістичні реакції на ліки. Поки що дослідження були зосереджені на розробці печінки на чіпі та серця на чіпі, але існує потенціал для розробки моделі всього тіла на чіпі.
Комбінуючи 3D-друковані органи, дослідники можуть створити тіло на чіпі. Модель «серце на чіпі» вже використовувалася для дослідження того, як деякі препарати з негативними побічними ефектами, заснованими на серцевому ритмі, такі як хіміотерапевтичний препарат доксорубіцин, можуть впливати на людей на індивідуальній основі. Нова платформа body-on-a-chip включає печінку, серце, легені та кінець-на-чіпі. Органи-на-чіпі окремо друкуються або конструюються, а потім інтегруються разом. За допомогою цієї платформи дослідження токсичності ліків проводяться з високою пропускною здатністю, знижуючи вартість і підвищуючи ефективність конвеєра пошуку ліків.
Див.також
- Тканинна інженерія
- Інженерія нервової тканини
- Клітинна інженерія
- Генна інженерія
- Регенеративна медицина
| |||||||||||
