Как 3D-биопечать будет спасать жизни на Земле и в космосе

13 минут

Трехмерная биопечать сосудов и органов решает проблемы не только земного масштаба: ткани, выращенные из собственных клеток реципиентов, при пересадке практически не отторгаются. Но отсутствие проработанного программного обеспечения для создания цифровой модели ткани и органа, недостаточная автоматизация и роботизация процессов биопечати тормозят развитие рынка. Вслед за этим тормозится и освоение космоса.

По мнению экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), ключом к спасению жизней станет трансплантация органов. Такие процедуры проводятся в 91 стране. В год проводится 66 тыс. операций по пересадке почек, 21 тыс. – по пересадке печени и 6 тыс. – сердечно-сосудистой системы.

Около четверти пациентов умирает, не дождавшись донорских органов. Только в США своевременная трансплантация помогла бы сохранить почти 900 тыс. смертей пациентов. Около 100 тыс. пациентов ожидают очереди на пересадку органов. Если операция окажется удачной, то человек должен будет постоянно применять иммунодепрессанты. В ином случае организм реципиентов зачастую принимает донорские органы за инородные тела и может отторгнуть их.

Решить проблемы с нехваткой и приживаемостью донорских органов позволит 3D-биопечать – сложная процедура, в которой для создания органов используются собственные клетки пациентов. Для развития технологии, ее вывода на коммерческий рынок необходимо совршенствовать программное и аппаратное обеспечение.

От 3D к трехмерной биопечати

Прорыв в области трехмерной печати начался в 1984 году, когда американский ученый Чарльз Халл изобрел стереолитографию. 8 августа ученый получил патент на «аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии». Впервые 3D-печать использовали для медицинских целей в 1999 году. Ученые Университета Вейк Форест (штат Каролина, США) создали синтетический каркас мочевого пузыря человека. Затем деталь покрыли клетками пациентов и успешно вырастили функционирующие органы.

В 2006 году ученые пересадили органы первым реципиентам от четырех до 19 лет, у которых плохая работа мочевого пузыря угрожала целостности почек. Приживаемость органов была высокой, так как их создали из собственных клеток доноров. «Это маленький шаг в замене поврежденных тканей и органов», – рассказывал Энтони Атала (Anthony Atala), директор Института регенеративной медицины Медицинской школы Университета Уэйк Форест. Тогда ученый работал над выращиванием 20 различных тканей и органов, включая кровеносные сосуды и сердца.

Достижения 1999 года подготовили почву для следующих открытий К примеру, в 2002 году ученые Массачусетской биотехнологической компании Advanced Cell Technology напечатали миниатюрную функциональную почку, способную фильтровать кровь и вырабатывать мочу в животной модели. В 2003 году Томас Боланд из Университета Клемсона (США, Южная Каролина) получил патент на 3D-печать для изготовления клеточной конструкции с использованием струйной печати.

Процесс 3D-печати биологических структур активно развивался и охватил производство тканей и структур органов, появились новые методы печати, например экструзионная (последовательное нанесение слоев материала).

Первые: принтер, сосуд и хрящ

Первое устройство для печати биологических материалов представил профессор Макото Накамура из Университета Тояма. В ходе демонстрации ученый напечатал биологическую трубку, похожую на кровеносный сосуд.

В 2010 году компания Organovo из Сан-Диего (США) напечатала первый кровеносный сосуд. С 2015 года компания продает специальные био-чернила для печати тканевого хряща. Также компания разработала многоголовочный принтер с отдельными печатающими головками для клеток сердца, эндотелиальных клеток. В качестве каркаса выступает коллагеновая «биобумага».

Портативный 3D-биопринтер для печати кожи

Источник: 3D Printing Ingindustry, 2019

Недавним достижением стало создание учеными из Университета Торонто и научно-исследовательского института Саннибрука портативного 3D-биопринтера весом 0,8 кг для печати кожи. Устройство предназначено для помощи пациентам с глубокими ранами и ожогами. По данным ВОЗ, ежегодно от ожогов умирают 180 тыс. человек.

Как устроена 3D-биопечать

Технология базируется на использовании трехмерной печати, которая объединяет клетки и биоматериалы при производстве биомедицинских «деталей», имитирующих естественные характеристики живых тканей.

Органы и сосуды каждого человека уникальны, и 3D-печать создает оригинальные сложные формы. Биочернила, как и обычная краска в струйном принтере, в исходном состоянии жидкие. По мере роста клеток появляются запрограммированные «детали».

Типы принтеров

В биопечати используются три основных типа принтеров: струйные, лазерные и экструзионные. Струйные принтеры, как правило, предназначены для быстрой печати простых органов и сосудов. Лазерные устройства дорогие, но обеспечивают печать с высоким разрешением. Экструзионные принтеры печатают ячейки слой за слоем. Такое обрудование совместимо с гидрогелями, наполненными клетками.

Основой процесса является трехмерная модель. Ее генерируют с помощью компьютерной томографии или МРТ, а затем создают архитектуру ткани. После завершения процесса печати требуется финальная обработка. Без нее сохранить целостность ткани невозможно: клеткам необходимо создать подходящие условия для роста и образования органов и сосудов. В более сложных процессах используются «биореакторы», которые стимулируют рост сосудов и ткани.

Рынок ежегодно прирастает на четверть

Объем глобального рынка 3D биопечати в 2018 году оценивался аналитиками Grand View Research в $965 млн. Среднегодовые темпы роста до конца 2026 года, по их мнению, составят 19,5%. Эксперты Market Research Future более оптимистичны – они оценивают динамику вплоть до 2023 года в на уровне 24,59%. В 2023 году рынок достигнет $1,92 млрд.

 

По оценкам Reports&Data, объем глобального рынка 3D-биопечати к 2026 году достигнет $4,4 млрд, к тому времени в профильные исследования будут инвестированы $1,74 млрд. Рынок, по мнению аналитиков Reports&Data, сегментирован на живые клетки (в 2018 году 37,91% рынка), гидрогели (31,98%) и другие материалы. На сектор прикладных исследований в 2018 году приходилась большая доля рынка (39,30%). Высокие среднегодовые темпы роста до 2026 года ожидаются в сегменте биопечати лекарств (26,4%).

Глобальный рынок 3D-биопечати. Динамика и тенденции

Аналитики Reports&Data полагают, что исследователи будут развивать отрасль создания функциональных органов – почек, ушей и печени. Мешать развитию отрасли будет нехватка специалистов, а стимулировать – достижения в исследовании стволовых клеток.

По мнению аналитиков Market Research Future, драйверами рынка станут рост хронических заболеваний, например сердечной и почечной недостаточности, старение населения, ограниченное числом доноров органов.

По мнению Джонатана Массера*, ведущего специалиста в области 3D-биопечати, доцента Университета Тампере (Финляндия), члена научно-исследовательской группы BioMediTech, 3D-печать активно развивается в области протезирования и челюстно-лицевой хирургии. Потенциал воспроизведения органов, а также части их функций интересует ученых, которые хотят протестировать лекарственные средства без участия человека или животных. Такой подход будет дешевле и надежнее, полагает эксперт.

Ключевые регионы

Доля Северной Америки, согласно отчету Reports&Data, по итогам 2018 года оценивалась как самая высокая (22,3%), Европа заняла второе место (21,70%). Аналитики утверждают, что Северная Америка будет доминировать на рынке 3D биопечати по нескольким причинам:

  • рост численности населения;
  • присутствие ведущих компаний из сферы здравоохранения;
  • развитая инфраструктура медицинской отрасли;
  • множество клинических исследований, проводимых в регионе.

Правительство США, а именно Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA), в октябре 2018 года предоставило пяти научно-исследовательским институтам, которые проводят исследования в сфере 3D-биопечати, грант в размере $2,5 млн.

Однако самые высокие ежегодные темпы прироста рынка ожидаются в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Этому способствуют:

  • высокая численность реципиентов, ожидающих трансплантации органов;
  • быстрое внедрение инноваций;
  • рост осведомленности о технологии 3D-печати;
  • увеличение иностранных инвестиций;
  • благоприятная политика правительства.

К примеру, КНР реализует правительственную программу «Сделано в Китае – 2025». Цель инициативы – продвижение технологий, в том числе в сфере 3D-печати. Министерство промышленности и информационных технологий КНР также поддерживает сегмент 3D-биопечати.

Ключевые игроки

Ключевыми игроками на рынке 3D-биопечати, по мнению консалтинговых компаний, стали: Organovo (США), Cellink (Швеция), Stratasys (США), Fujifilm Wako Automation Corporation (США), EnvisionTEC GmbH (Германия), Nano3D Biosciences (США), Allevi (США), Cyfuse Biomedical(Япония), REGENHU (Швейцария), Aspect Biosystems (Канада), Regenovo Biotechnology (Китай) и Poietis (Франция).

Владимир Миронов, кандидат медицинских наук, научный руководитель компании 3D Bioprinting Solutions, соглашается с выводами аналитиков о ключевых игроках на мировом рынке. «Organovo печатает мини-ткани для фармакологических исследований. В 2019 году она планирует тестирование печеночной заплатки – первого напечатанного продукта для клинического использования. CellInk выпускает дешевые биопринтеры широкого диапазона с набором биочернил к ним. Это первая в мире компания сегмента, ставшая доходной. RegenHu выпускает биопринтеры, которые, пожалуй, превосходят все другие, но и стоят на порядок дороже», – рассказал эксперт.

На рынке России – один участник

В России единственная компания занимается 3D-биопечатью – биотехнологическая лаборатория 3D Bioprinting Solutions. Совместно с медицинской компаний «Инвитро» она успешно провела эксперимент по биопечати в космосе. Принтер Organ.out, который разработала 3D Bioprinting Solutions, доставили на Международную космическую станцию в декабре 2018 года. Опыты проводил космонавт Олег Кононенко, напечатавший образцы хрящевой ткани человека и щитовидной железы мыши. Цель эксперимента – исследование влияния условий микрогравитации на эффективность создания живых тканей и органных конструктов.

Космонавт Олег Кононенко работает с биопринтером Organ.out

Источник: 24Gadget, 2019

Владимир Миронов рассказал о некоторых российских достижениях в сфере трехмерной печати. Была разработана технология масштабной биофарикации тканевых сфероидов стандартной формы и размеров c возможной роботизацией и автоматизацией производства. Еще одно достижение компании – создание первого российского мультифункционального биопринтера «Фабион», который издание 3D Printing Industry отнесло к десятке лучших (у него четвертая позиция в рейтинге).

«Компания также разработала первый оригинальный коммерческий продукт – биочернила VisColl на базе вязкого свиного коллагена.Также нам удалось первыми в мире напечатать функциональный и васкуляризированный орган – щитовидную железу мыши», – добавил эксперт.

Тенденции биопринтинга

Космические миссии

Полеты в космосе, длящиеся месяцами, подрывают здоровье космонавтов. К примеру, путешествие до Марса займет от 6 до 8 месяцев. Спутниками космонавтов станут отсутствие полноценного сна, высокий уровень радиации, отсутствие прямой связи с центром управления полетами (задержка передачи сигнала составляет до 24 минут) и т.д. Миссии на другие планеты еще большей продолжительности и потому грозят бОльшим негативным воздействием внешней среды.

По мнению ученых, такие полеты должны обеспечить полную автономность медицинской помощи. Из-за задержек сигнала передача медицинских инструкций с помощью телекоммуникационных технологий невозможна. Роботы-хирурги с искусственным интеллектом решат лишь часть проблем. Им необходимы будут органы для пересадки. Тут поможет только 3D-биопечать.

Таблетки в тираж

Новейшей разработкой на рынке аналитики Grand View Research называют печать медицинских препаратов. Среднегодовые темпы прироста этого сегмента до 2026 года будут превышать 38%. К примеру, весной 2016 года американская фармкомпания Aprecia Pharmaceuticals получила одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США на 3D-печать препарата Spritam. Препарат предназачен для больных эпилепсией.

«Современная персонализированная медицина остро нуждается в модернизации экстемпорального (лат. ex tempore — по мере надобности) производства лекарственных средств с учетом всех особенностей конкретного пациента. 3D-печать лекарственных средств позволяет изготовить лекарства с индивидуальной дозировкой, с оптимизированным высвобождением лекарственных средств, а также с возможностью создания индивидуальной геометрии препарата», – говорит Ирина Алисова, помощник ректора по развитию Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета (СПХФУ). .

3D-биопечать будет применяться в новых областях медицины

Свыше 42% клинических испытаний с использованием 3D-биопечати проводится в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и в стоматологии. Некоторые исследования также ведутся в области онкологии, офтальмологии, кардиохирургии, урологии или нейрохирургии, сообщил Джонатан Массера. По его словам, научный поиск во всех этих областях набирает интерес. Научная работа охватит новые области медицины.

Популярные направления

Самым востребованным направлением рынка трехмерной биопечати стала разработка биочернил (гидрогеля). Как утверждает Владимир Миронов, также популярным становится использование вместо клеток клеточных агрегатов или тканевых сфероидов. «Ограничением является отсутствие коммерческих биопринтеров, которые позволят печатать тканевые сфероиды», – отметил Владимир Миронов.

Навстречу 4D

Гибридная биопечать, в которой используется комбинация технологий трехмерной биопечати, а также 4D-биопечать – новое интересное направление научной работы. 4D предусматривает программированную сборку после окончания биопечати, например с использованием полимеров с памятью формы, пояснил Владимир Миронов. «Еще одно молодое направление – это «Ин виво» – то есть биопечать в операционной комнате», – добавил эксперт.

Усовершенствование человека

В 2003 году ученые Принстонского университета на обычном 3D-принтере напечатали ухо с антенной, которая проводит радиоволны. Для печати использовали живые клетки в гидрогеле. В напечатанной заготовке были созданы подходящие условия для роста клеток. Такую антенну в 2003 году не к чему было подключать, но у ученых остались надежды на прикладное использование технологии, например для расширения слухового диапазона. Возможно, в будущем технологии гибридной биопечати помогут усовершенствовать работу других органов.

Ухо с антенной, которое напечатали ученые Принстонского университета

Источник: Mashable, 2013

Законы, ПО, дороговизна и рост

Проблему для развития рынка представляют неутвержденные официальные источники клеток для клинического использования. К этому, считает Владимир Миронов, добавляются отсутствие проработанного программного обеспечения для создания цифровой модели ткани и органа, недостаточная автоматизация и роботизация процессов биопечати.

И конечно, барьером становится цена 3D-биопринтеров и биоматериалов. Сегодня технология трехмерной биопечати очень дорогая и требует крупных инвестиций и мультидисциплинарных исследовательских центров с достаточным уровнем финансирования. По мнению Владимира Миронова, в России таких условий нет.

Леонид Андреев, руководитель департамента стратегии агентства Room485, ключевые новости в области биопринтинга относятся к единичным инициативам университетов или научных стартапов. «Еще не проведены первые операции на людях, технология не протестирована окончательно и не внедрена на регулярной основе, поэтому рано говорить о ее коммерческом применении и распространении», – отметил эксперт.

Но некоторые печатные органы уже приблизились к функциональным требованиям для клинического использования. В первую очередь те, которые включают полые структуры (мочевой пузырь) и сосудистые структуры (мочеточники).

К 2020 году у компаний и ученых будет накоплено достаточно опыта. Следующий год ознаменуется массой клинических испытаний, предположил Джонатан Массера. Правда, ученым предстоит решить фундаментальную проблему: включить кровеносные сосуды в биопечатную ткань. Ведь любая живая ткань нуждается в крови. Иначе органы не получат питательные вещества.

*благодарим Анастасию Астанину, начальника отдела магистратуры СПХФУ, за помощь в получении комментариев Джонатана Массера.

Использовано фото кадра из фильма «Терминатор»

Group 40Group 44Group 43Group 46Group 41Group 27Group 42Group 39