Корреспондент: Переворот в медицине. 3D-принтеры для органов

На 3D-принтерах врачи готовы печатать не только вены и нервы, но и целые органы для трансплантации, - пишет Павел Сивоконь в №17 журнала Корреспондент за 5 мая 2014 года.

В середине марта в британском Centre for Applied Reconstructive Technologies in Surgery была проведена необычная операция. Пациенту Стивену Пауэру сделали лицевую реконструкцию после аварии.

Но в этот раз имплантаты изготавливали не только из титана, как это было ранее, но и из собственных клеток Пауэра — с помощью 3D-принтеров. В то же время в ходе операции врачи постоянно создавали модели черепа пациента методом трехмерной печати, чтобы понять, куда лучше всего присоединить новые кости.

“Часть замененных частей лица сделана из железа, но некоторые детали мы делали из стволовых клеток самого пациента. Так оказалось быстрее, да и металл не будет отторгаться”, — рассказал Корреспонденту челюстно-лицевой хирург Адриан Шугар, менявший Пауэру скуловые кости.

По его словам, одна модель черепа пациента стоила не более $ 1.000 — это относительно недорого, зато существенно упрощает работу хирурга. Чтобы создать биологические кости, понадобилось несколько недель.

Операция стала подтверждением того, что трехмерные технологии в медицине становятся все более востребованными. И развиваются они сразу в двух направлениях. Во-первых, это сканирование и выпуск 3D-моделей для того, чтобы врач перед операцией смог попрактиковаться и точно знал, какие повреждения получил человек. Во-вторых, это создание искусственных костей, кровеносных сосудов и органов из клеток пациента.

“Понятно, что напечатать печень мы пока не в состоянии, во многом из-за того, что пока не можем точно воспроизвести структуру сложных тканей”, — говорит Паоло Маккиарини, ведущий мировой специалист в области регенеративной медицины.

Маккиарини отмечает, что технически принтеры уже способны это сделать, но сперва нужно понимать, какую биологическую систему врачи хотят получить, — чтобы заложить в компьютер подходящую программу.

Сейчас в нескольких исследовательских клиниках США начинается программа по воспроизведению нервов, вен и трахей из человеческих клеток. По данным Oxford Performance Materials, в ближайшие годы более 450 тыс. пациентов по всему миру получат напечатанные органы. Они лучше подойдут больным, чем донорские, так как полностью исключают риск отторжения. Американское правительство уже заявило, что готово инвестировать в эту сферу свыше $ 2 млрд в следующие три года, чтобы к 2020-му  изготовить первую бионическую часть тела — сердце.

Если американские ученые добьются своего, то очень скоро 3D-принтеры станут источником производства человеческих органов и совершат переворот в медицине.

Взгляд внутрь

В медицине 3D-принтеры начали использовать еще несколько лет назад — в основном в ортопедии. С помощью МРТ-снимков из пластика печатали точные копии переломов, чтобы врачи обучались на этих моделях, а позднее стали делать модели органов.

В середине апреля японские ученые представили точную копию человеческой печени из пластика, где были воспроизведены все ее  сосуды и нервы. Так же была напечатана и опухоль. По этому образцу врачи определили, как именно  нужно удалять опухоль, чтобы не повредить функции органа.

“Для хирурга важно представить форму и очертания опухоли в трех измерениях, чтобы до операции понять, с какой стороны следует к ней подойти и как действовать”, — объясняет Маки Сагумото, хирург из Университета Кобе.

По словам доктора, производство такой модели стоило $ 1.500 и позволило сократить срок подготовки к удалению опухоли вдвое.

Подобные опыты по созданию точных моделей проводятся и в Евросоюзе. В Еuropean School of Urology в Барселоне собираются таким же способом создать пластиковые аналоги почки и сердца, чтобы выяснить, как их лучше лечить. Там также уверены, что через 10-15 лет большинство сложных операций будут выполняться именно этим методом — сканирование, производство моделей, их изучение и только потом работа с органом.

Тем более что за последние годы стоимость профессиональных 3D-принтеров упала почти на 15%. Сейчас за такой агрегат больница должна заплатить от $ 250 тыс. до $ 500 тыс.

Еще одним направлением в печати может стать разработка индивидуальных протезов и даже гипсовых повязок, которые более плотно прилегают к телу пациента и обеспечивают лучшую фиксацию переломов. В США собираются начать выпуск индивидуальных гипсов уже в следующем году.

Второе сердце

Но главное направление 3D-печати, на котором сфокусированы  усилия ученых, — получение новых органов из клеток пациента.

“Наши успехи в создании принтерами костей и хрящей подвели нас к работе с более сложными частями тела человека, которые участвуют в метаболизме или принимают сенсорные сигналы”, — говорит Корреспонденту профессор Глен Грин из Мичиганского университета.

В 2013 году Грин впервые пересадил двухлетней пациентке искусственную трахею, сделанную из пластиковых волокон и ее клеток. И продемонстрировал, что трансплантация таких объектов возможна и они приживаются в теле человека.

Сегодня процесс печати выглядит примерно так: у больного берут часть клеток с помощью биопсии, потом их помещают в чашку Петри для роста и размножения. Наконец, клетки загружают в принтер, настроенный на разработку определенной ткани. А программа определяет, в каком сочетании их собирать.

На создание одного фрагмента печени уходит примерно 45 мин.  Кости и хрящи делать легче. В Корнуоллском университете смогли за несколько дней напечатать жизнеспособную копию межпозвоночного диска человека и даже пересадить ее пациенту. Через считаные месяцы этот диск стал частью позвоночника.

Таким же образом в нынешнем году американская компания Organovo воспроизвела часть печени толщиной 500 мкр, что составило 20 клеточных слоев. Ткань смогла самостоятельно жить в течение 45 дней и выполнять все свои функции. Теперь в Organovo хотят приступить к выпуску тканей  сердца, но в большем масштабе.

А Вирджинский университет  заявил о готовности выплатить $ 1 млн компании, которая в ближайшее время создаст человеческое сердце. Сейчас ближе всего к этому находится американский Cardiovascular Innovations Institute, специалисты которого разрабатывают программу формирования молекул сердечной мышцы.

Хотя вознаграждение пока не востребовано, исследовательские компании нашли способ получать прибыль даже от частей органов. Фрагмент печени в этом году начнут использовать для проверки безопасности лекарственных препаратов. В год, по данным U.S. Food and Drug Administration, фармкомпании тратят на такие проверки до $ 5 млрд, а печать тканей может значительно удешевить процесс.

По мнению Маккиарини, до 2020 года более 120 тыс. человек, которые только в США ожидают органов для трансплантации, начнут получать их не от доноров, а от машин. Технология печати должна продвинуться настолько, чтобы создавать искусственные глаза и сердца. Уже сейчас в Принстонском университете готов прототип бионического уха, выращенного из живых клеток. Оно содержит антенну, которую можно подключить к слуховому нерву.

***

Этот материал опубликован в №17 журнала Корреспондент от 5 мая 2014 года. Перепечатка публикаций журнала Корреспондент в полном объеме запрещена. С правилами использования материалов журнала Корреспондент, опубликованных на сайте Корреспондент.net, можно ознакомиться здесь.