Ученые из Гарварда напечатали на 3D-принтере кровеносные сосуды, удивительно похожие на натуральные. Материалом послужили белок коллаген и живые клетки. Подобные изыскания в перспективе обещают решить проблему острой нехватки донорских органов, уносящую множество жизней.
Живительный сосуд
Ноу-хау исследователей — 3D-принтер с двумя независимыми соплами. Одно из них печатает стенку кровеносного сосуда из белка коллагена. Другое создает внутри будущего сосуда желатиновую сердцевину. Головка принтера может проколоть ранее напечатанный сосуд, чтобы «пристроить» к нему сбоку еще один. Так создаются разветвленные сосудистые сети. Когда печать завершается, достаточно немного нагреть заготовку, чтобы желатин вытек и сосуды стали полыми.
Коллаген — основа межклеточного вещества кровеносных сосудов. Но кроме этого каркаса органу нужны еще и клетки. Поэтому авторы добавили в коллагеновую основу живые клетки гладкой мускулатуры. А после удаления желатина внутреннюю поверхность сосудов выстелили клетками эндотелия. В итоге биоинженерные сосуды весьма точно воспроизвели строение настоящих.
Чтобы испытать свое детище, биологи вырастили сотни тысяч органоидов из сердечной мышечной ткани. Органоиды — это упрощенные версии органов. Они меньше по размеру и проще по структуре, чем настоящие органы, в данном случае сердце. Органоиды, выращенные исследователями из стволовых клеток, представляли собой ритмично сокращавшиеся крошечные шарики. Ученые спрессовали их в плотную массу вокруг сосудистой сети.
По сосудам подавалась жидкость, имитирующая кровь и снабжающая клетки органоидов кислородом и питательными веществами. Мини-сердца не только продолжали биться спустя пять суток такого питания, но и синхронизировали свой ритм. Более того, добавленные в «кровь» препараты оказали свой обычный эффект: изопротеренол заставил органоиды сокращаться чаще, а блеббистатин остановил их биение.
Искусственные сосуды имитируют настоящие не только своей микроструктурой. Можно напечатать дубликат сосудистой сети, воспроизведя все ее ответвления и извивы. Чтобы продемонстрировать это, авторы скопировали левую коронарную артерию конкретного человека. Этот кровеносный сосуд имеет довольно сложную форму и много ответвлений. В перспективе можно будет создать точную копию изношенного или поврежденного сосуда, которая подойдет организму пациента, как ключ — замку. Такой индивидуальный дизайн намного повысит шансы на удачный исход операции.
Разумеется, исследователи не готовы прямо сейчас печатать имплантаты для пересадки людям. Как минимум нужно научиться создавать сети капилляров — мельчайших кровеносных сосудов, пронизывающих ткани и органы. Капилляры слишком тонкие, чтобы печатать их вышеописанным способом: их средний диаметр всего около 7 микрометров. Биологи надеются создать на напечатанных сосудах «самоорганизующиеся капиллярные сети». Как это сделать, авторы не уточняют. Вероятнее всего, капилляры придется выращивать из стволовых клеток.
Если технология преодолеет этот рубеж, нужно будет испытать ее на животных. И только потом речь может идти о клинических испытаниях.
Мечта доктора Франкенштейна
У медицины уже был опыт пересадки человеку биоинженерных органов, в том числе и кровеносных сосудов.
Еще в 2001 году медики отчитались о пересадке четырехлетней девочке искусственного участка легочной артерии длиной в 2 см. На печатную матрицу из биоразлагаемого полимера были высажены клетки кровеносного сосуда, взятые у самой пациентки, чтобы избежать иммунного отторжения. Медики культивировали их 10 дней, дабы клетки разрослись и образовали полноценные ткани. Затем «заплатка» была пересажена девочке. Через восемь недель полимерная основа безопасно разложилась, оставив стенку сосуда, собранную из живых клеток. Семь месяцев наблюдения не выявили никаких осложнений. Подчеркнем, что медики заменили лишь короткий участок одного крупного сосуда. Авторы нового исследования пытаются решить куда более сложную задачу — сконструировать разветвленную сосудистую сеть.
В 2004 году другая научная группа сообщила о пересадке 58-летнему пациенту «заплатки», заменяющей пораженную часть бронха. Исследователи создали каркас размером 24 × 36 мм из коллагена, взятого из кишечника свиньи и старательно очищенного от свиных клеток. На эту основу были высажены клетки мышечной и соединительной ткани пациента. После инкубации в биореакторе «заплатка» была имплантирована.
В 2008-м появилось сообщение о пересадке напечатанного участка трахеи. Правда, уже совсем недавно эта статья была отозвана из журнала Lancet, поскольку выяснилось, что авторы неправильно описали процедуру и приукрасили результаты.
За последние 20 лет было несколько сообщений об успешной пересадке биоинженерного мочевого пузыря. А в 2018 году китайские медики отчитались о пересадке 3D-печатных ушных раковин. Операции подверглись пятеро детей с врожденной патологией одного уха. Исследователи отсканировали здоровое ухо пациента и напечатали биоразлагаемый каркас, воспроизводящий его форму. На эту основу высаживались клетки. Затем пораженная болезнью ушная раковина ампутировалась, а на ее место пришивалась искусственная. На момент публикации прошло уже 2,5 года после первой операции, и за это время не возникло никаких осложнений.
Печатная плата
Инженеры изобрели множество способов 3D-печати, применяемых в самых разных областях, от кулинарии до ракетостроения. Обзор трехлетней давности перечисляет добрый десяток методов, подходящих для биопечати. Но как бы бурно ни развивалась эта отрасль, у нее много нерешенных проблем.
Воспроизвести участок кровеносного сосуда или дыхательного пути гораздо легче, чем полноценное легкое или сердце. Биоинженерные легкие пока пересаживались только животным. Продолжаются попытки напечатать на 3D-принтере живое сердце. В 2019 году ученые создали искусственное сердце из собственных клеток человека. Они взяли жировые клетки, превратили их в стволовые и уже из них вырастили сердечную мышцу. Однако искусственный орган получился слишком маленьким — размером с сердце кролика, и неправильно сокращался.
Для создания сложных органов недостаточно напечатать каркас и высадить на него культуру клеток. Требуется добавлять клетки непосредственно в «чернила» 3D-принтера, как, к слову, и сделали разработчики сосудистой сети. Но печать большого органа занимает столько времени, что изрядная часть клеток успевает погибнуть. Ученые пытаются выйти из положения, печатая несколько слоев клеток одновременно.
Мало того, нужно воспроизвести структуру сложного многослойного органа. Иногда даже на микроскопическом уровне — вспомним, например, о тончайших канальцах почек. Нынешние 3D-принтеры не годятся для столь тонкой работы.
В целом можно ожидать, что пересадка биоинженерных «заплаток» на кровеносные сосуды, трахеи и тому подобные простые органы станет стандартной медицинской процедурой в ближайшие 10-20 лет. Конструирование же более сложных органов, вероятно, встанет на поток только во второй половине века. Вероятно, успешная пересадка свиного сердца случится раньше, чем биоинженерного. Пока же самое перспективное направление — продление «срока годности» донорских органов.