Биопринтеры научились латать человека изнутри
Биопринтинг внутри живого организма может совершить революцию в медицине. Он устранит недостатки печати искусственных биологических тканей в лабораторных условиях и будет применяться при разработке передовых эндоскопических роботизированных устройств.
Первый напечатанный на 3D-принтере искусственный орган человеку пересадили в 1999 году. Для этого ученые из американского Wake Forest University создали из биосовместимого пластика трехмерный каркас мочевого пузыря, поместили на него стволовые клетки пациента, дали им разрастись и таким образом получили точную копию оригинала, которая и через десять лет исправно работала. Вскоре они же напечатали должным образом функционирующую печень. И хотя по назначению ее использовать тогда побоялись, это стало впечатляющей демонстрацией возможностей биопринтинга.
Что такое биопринтинг?
Термин происходит от греческого слова βίος («жизнь») и английского printing («печатание»). Так называют создание искусственных органов или такней с помощью трехмерной печати. Если в обычных 3D-принтерах для получения объектов применяют пластик, то в биопечати — живые клетки.
Уже через пять лет ученые нашли способ использовать живые человеческие клетки для печати органов без применения искусственного каркаса. Биопринтинг начал довольно быстро развиваться, и вскоре с его помощью стали создавать суставы, кости, сердечные клапаны, яичники, трахеи, а в прошлом году пересадили первую искусственную ушную раковину. Впрочем, обычно печатают части органов или просто новые ткани — например, для заживления трещин и других повреждений.
Однако не только сложностью самих человеческих органов и способностью искусственных аналогов приживаться в организме сегодня ограничены возможности биопечати. В ряде случаев крайне трудно подготовить поверхность такни к пересадке нового органа, а во время транспортировки по организму можно повредить структуру напечатанной ткани или занести заразу. Кроме того, не всегда вообще возможно доставить «деталь» в нужное место внутри человека.
Как и зачем ученые создают искусственные органы?
ЧитатьДля преодоления этих проблем ученые начали думать, как наносить биоматериалы непосредственно на нужные ткани. Уже есть методы печати по внешней поверхности кожи или прямо под ней на глубине до 5 мм. Лечение также можно провести, сделав открытый разрез. Но оба эти способа не работают, когда речь идет о труднодоступных органах — таких, к примеру, как толстая кишка. Первые попытки залечить стенки желудка с помощью микробиопринтинга изнутри предприняли китайские ученые еще в 2020 году, но метод имел ряд серьезных ограничений и требовал существенной доработки.
Команда ученых из The University of New South Wales в Сиднее под руководством доктора Тхань Нхо До, которая многие годы занимается разработкой роботизированных конечностей, нашла способ решить эту проблему. Для этого был разработан многофункциональный гибкий биопринтер F3DB (Flexible 3D bioprinter).
Аппарат похож на обычный медицинский эндоскоп — гибкую трубку с миниатюрной видеокамерой или манипулятором, которую используют для осмотра внутренних органов, удаления инородных тел или взятия клеток/тканей для проведения исследований. Только вдобавок с его помощью можно доставлять многослойные биоматериалы в нужную точку внутри тела человека и наращивать их на месте. При этом змееподобный робот проникает в организм через естественные отверстия или надрез.
Телом робота служит гибкий катетер с искусственными мышцами, который вставляют в тело человека и доводят до нужной точки. Контролировать процесс помогает миниатюрная видеокамера. Далее в работу включается подвижная головка, точность и плавность движений которой обеспечиваются за счет машинного обучения. Биоматериалы для печати, которая может вестись в трех направлениях, подаются по микротрубкам. Отметим, что печатающая головка может работать в автоматическом режиме.
Разработчики создали три прототипа роботизированного манипулятора — с внешним диаметром 20 мм, 11,5 мм и 7 мм, но при необходимости устройство может быть еще меньше.
«Как только печатающая головка завершает первую задачу печати в одном месте, мягкий роботизированный манипулятор направляется в другие места, и процесс печати возобновляется. Благодаря этой функции область печати может быть расширена и покрыть всю поверхность внутренних органов или тканей (например, толстой кишки, желудка, сердца и мочевого пузыря), что недостижимо для существующих устройств для биопечати in vivo (внутри живого организма. — Прим. ред.)», — подчеркивают разработчики.
Более того, в перспективе F3DB можно использовать как универсальный эндоскопический хирургический инструмент. Например, для удаления злокачественных опухолей прямой кишки — третьей по распространенности причины смерти от рака. Для лечения этого недуга хорошо себя зарекомендовала эндоскопическая подслизистая диссекция. Это сложная длительная процедура, которую с помощью F3DB можно не только упростить, но и сделать безопаснее. Специально подготовленная к операции головка биопринтера позволит отметить по периметру пораженную область, вырезать и удалить ее, прочистить рану да еще и напечатать недостающий биоматериал для ускорения заживления тканей после операции. Сейчас для этого применяются несколько инструментов и, конечно, без последнего пункта. Работоспособность такого метода в Сиднее успешно проверили на свиной кишке.
Таким образом, новая разработка может доставлять биоматериалы в нужную точку прямо в теле человека для более быстрого восстановления поврежденных тканей и органов. Ученые уже наметили ряд улучшений для F3DB. Да и само по себе устройство открыло дорогу для появления нового поколения гибких хирургических роботов.
Чужое сердце: новая веха в пересадке органов животных человеку
Читать
