Резюме
- Прогресс в области 3D-печати органов идет медленно из-за таких проблем, как васкуляризация и жизнеспособность клеток.
- С помощью 3D-биопечати успешно имплантировали полые органы, такие как трахеи и мочевые пузыри, однако создание цельных органов представляет собой более сложную техническую задачу.
- Другие перспективные альтернативы 3D-биопечати включают ксенотрансплантаты, бионические органы и выращивание органов в биореакторах.
Около четырнадцати лет назад я сел и посмотрел увлекательное выступление профессора Энтони Аталы на конференции TED в 2011 году под названием «Печать человеческой почки», в котором он демонстрировал свой прогресс в создании органов с помощью 3D-биопринтера.
Это видео взорвало мне мозг, и мне показалось, что мы вот-вот разрешим наш кризис с трансплантацией органов, но сегодня мы все еще зависим от доноров, чтобы поддерживать жизнь людей, находящихся в списках реципиентов.
Обещание печатных органов было раскалено докрасна
Идея, что кто-то может создать орган-заменитель с помощью машины, а затем имплантировать его без риска отторжения или опасных лекарств, очевидно, похожа на мечту, ставшую явью. Я помню, что демонстрационные версии этих прототипов биопринтеров требовали оговорок, чтобы отчаявшиеся люди, стоящие в очереди на почки и другие органы, не получали ложной надежды.
Это было волнующе, сказали они, но пройдут еще годы, прежде чем 3D-печатная почка попадет в пациента. Затем в основных СМИ все затихло. За кулисами ученые и инженеры работали не покладая рук, и в мире регенеративной медицины нет недостатка в финансировании, но для внешнего мира было легко забыть обо всем этом.
Это сложнее, чем кажется
Суть технологического развития в том, что у вас могут быть моменты, когда происходят большие прорывы, но они перемежаются годами постепенного решения проблем. Печать или иное создание чего-то столь сложного, как почка или печень, имеет список проблем длиной в милю. Вы не можете просто сделать что-то, что близко к почке, вам нужно сделать это правильно.
В то время как биопринтеры «печатают» с помощью живых клеток, печень — это не просто случайная мешанина из клеток печени. Различные клетки и материалы должны быть организованы в точно правильную структуру, чтобы орган выполнял свою работу.
Васкуляризация — это большая проблема, поскольку твердые органы имеют сложную структуру кровеносных сосудов, которые транспортируют кислород и питательные вещества через них. Печать слоев клеток — это достаточно просто, но печать сосудов в этих клетках? Не так просто.
Клетки в принтере также должны поддерживаться живыми в течение всего процесса. Печатный орган не приносит большой пользы, клетки умирают в процессе печати, поэтому решения, позволяющие поддерживать клетки живыми и здоровыми до тех пор, пока орган не будет завершен и готов либо перейти на систему жизнеобеспечения, либо быть имплантированным, являются еще одним серьезным препятствием. Это совсем не похоже на печать чего-либо из пластика или металла.
Эти напечатанные органы также должны обладать по крайней мере такой же структурной целостностью, как и естественные, а на микроскопическом уровне происходят процессы, которые невозможно воспроизвести с помощью современных подходов к биопечати.
Это всего лишь три основные проблемы, о которых я знаю, но я уверен, что есть целый ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы приступим к испытаниям на людях и, в конечном итоге, к массовому внедрению.
Мы уже печатаем на 3D-принтере части тела и полые органы
Итак, вы могли заметить, что я в основном говорил о печати твердых органов, таких как печень, почки, сердце и т. д. Это потому, что когда речь идет о полых органах или относительно простых структурах в организме, мы уже используем 3D-принтеры медицинского класса для изготовления сменных частей для пациентов.
Первая имплантация человеку органа, напечатанного на 3D-принтере, состоялась еще в 1999 году! Однако ученые из Университета Уэйк Форест (тот самый Энтони Атала) не публиковали об этом информацию до 2006 года. Напечатанный мочевой пузырь был покрыт собственными клетками пациентов, и, насколько я могу судить, он все еще выполняет свою функцию.
Маленькие победы, подобные этим, продолжают накапливаться. В 2023 году корейские ученые имплантировали первую в истории 3D-печатную трахею с использованием биопечатных материалов и стволовых клеток других людей. Хотя ожидается, что трахея прослужит всего пять лет, есть надежда, что организм пациента регенерирует трахею, используя эту имплантированную биопечатную часть в качестве каркаса. Кажется, организм пациента уже генерирует новые вены.
Это большое дело, особенно в свете крупного провала синтетических трахей, который привел к смерти большинства реципиентов в 2010-х годах. Технология 3D-печати также производит революцию в замене костей. С принтерами, которые могут печатать кости прямо в теле, восстанавливать челюстные кости и многое другое.
Итак, хотя вы, возможно, и не слышали больших новостей о том, как мы можем печатать печень, почки или другие важные органы, не заблуждайтесь относительно того влияния, которое 3D-биопечать уже оказывает на жизни людей.
Одним из наиболее многообещающих подходов, по-видимому, является идея печати каркасов органов с использованием биосовместимого материала, а затем перфузии этого каркаса культивированными клетками органов, полученными из собственных стволовых клеток пациента. Со временем биоразлагаемый каркас рассасывается и исчезает, оставляя, как можно надеяться, функционирующий орган.
Конкурирующие альтернативы
Технология 3D-печати — далеко не единственный потенциальный подход к созданию органов, которые можно имплантировать или пересадить человеку. Существуют и другие конкурирующие подходы, которые могут оказаться более жизнеспособными, хотя более вероятно, что некоторые из этих методов придется объединить, чтобы окончательно решить проблему раз и навсегда.
Одним из многообещающих краткосрочных решений нехватки донорских органов является увеличение количества жизнеспособных органов. Например, с помощью Ex Vivo Lung Perfusion (EVLP) легкие можно поддерживать живыми вне человеческого тела, а затем исследовать на предмет болезней или повреждений. Во многих случаях легкие можно восстановить до такой степени, что они будут пригодны для трансплантации, в то время как до этого их пришлось бы уничтожить. Тот же метод оценивается для сердца, хотя цель здесь заключается в минимизации или предотвращении повреждений от существующих методов консервации в холодном хранилище. Эта концепция ex vivo perfusion может быть применена к большинству органов, таких как печень и почки, но с разной степенью полезности.
Другая захватывающая возможность — это ксенотрансплантация. Другими словами, пересадка органов от нечеловеческих видов людям. Это может показаться плохой идеей, но путем генетической модификации свиней их органы могут быть сделаны пригодными для трансплантации. По крайней мере, такова теория, и это, очевидно, продолжающиеся исследования. Дэвид Беннит, первый человек, которому пересадили модифицированное свиное сердце, умер два месяца спустя, но прогресс продолжается. В 2024 году женщине пересадили свиную почку.
Она всего лишь пятый человек в мире, которому пересадили свиной орган, генетически модифицированный таким образом, и все, очевидно, хотят увидеть, что из этого получится. Тована Луни, женщина, о которой идет речь, отличается от других реципиентов тем, что она относительно здорова, и ее поддерживает диализ. Все остальные реципиенты умерли в течение нескольких месяцев, но пока все выглядит хорошо.
Затем есть потенциал создания бионических органов. За эти годы уже было создано много искусственных сердец, хотя большинство из них не поддерживали своих реципиентов в живых долго, поскольку идея заключалась в том, что вы могли бы продлить их жизнь, пока не будет найдено донорское сердце. Однако насос LVAD может дополнить отказавшее сердце, что либо продлит время до трансплантации, либо позволит сердцу отдохнуть и потенциально восстановиться.
Конечно, носить с собой аккумуляторные батареи и быть в шаге от серьезной проблемы из-за одной пропущенной подзарядки — не идеальный вариант! Возможно, когда-нибудь эти искусственные системы смогут получать питание от самого тела.
Последняя альтернатива 3D-биопечати — выращивание органов вне тела с помощью биореакторов. По сути, мы хотели бы получить стволовые клетки, затем заставить их стать клетками органов, которые затем должны размножиться и вырасти в орган так же, как они сделали, чтобы создать естественные органы в наших телах. Однако следует отметить, что наши органы начинаются как крошечные органы младенца, а затем вырастают до размеров взрослого человека в течение многих лет. Так что есть проблема в выращивании органов, которые можно использовать у взрослых!
Сколько времени это займет?
Может показаться, что что-то большое было «за углом» в течение многих лет, но ничего существенного не происходило, или, по крайней мере, казалось бы. Эксперты в области регенеративной медицины расходятся во мнениях о сроках, но профессор Дженнифер Льюис из Института Висса по биологически вдохновленной инженерии Гарвардского университета считает, что в течение десятилетия это будет самое ближайшее время.
Лично по моему мнению очень неэкспертное мнение, я ожидаю, что регенерированные органы какого-либо рода пройдут испытания на людях к середине этого столетия. Однако я не удивлюсь, если это окажется слишком пессимистичным, учитывая, что эти исследования не происходят в вакууме, и прорывы в других областях могут создавать периоды быстрого прогресса.
Также стоит учесть, что ИИ (искусственный интеллект) продвигает научные исследования вперед на десятилетия, помогая нам открывать новые белки, новые материалы и новые идеи быстрыми темпами. Это может фактически ускорить сроки исследования органов способами, которые мы не можем предсказать прямо сейчас. Наши развивающиеся машинные интеллекты могут увидеть то, чего мы не видим, или, по крайней мере, иметь возможность быстро моделировать годы исследований, чтобы указать ученым правильный путь. В любом случае, я думаю, что будущее медицинской науки невероятно светло.
