Печать органов

Искусственное сердце, разработанное в Цюрихе

Печать органов использует методы, схожие с обычной 3D-печатью, когда компьютерная модель подается в принтер, который накладывает последовательные слои пластика или воска до получения 3D-объекта.[1] В случае печати органов материалом, используемым принтером, является биосовместимый полимер.[1] Биосовместимый пластик образует каркас, который действует как скелет для органов, который печатается.[1] По мере того, как пластик укладывается, он также засевается человеческими клетками из органа пациента, для которого печатается.[1] После печати орган переносят в инкубационную камеру, чтобы дать клеткам время вырасти.[1] Через достаточное количество времени орган имплантируют пациенту.[1].

3D-биопринтер CELLINK

Конечной целью печати органов является создание органов, которые могут полностью интегрироваться в человеческое тело, как будто они были там всегда.[1] Успешная печать органов может повлиять на несколько отраслей промышленности. К ним относятся искусственные органы и ткани и трансплантация органов,[2] фармацевтические исследования,[3] и подготовке врачей и хирургов[4].

История

Область печати органов возникла из исследований в области стереолитографии, основы практики 3D-печати, которая была изобретена в 1984 году.[5] В начале эры 3D-печати невозможно было создавать долговечные объекты, поскольку используемые материалы были не очень прочными.[6] Поэтому на первых порах 3D-печать использовалась просто как способ моделирования потенциальных конечных продуктов, которые в конечном итоге будут изготовлены из различных материалов по более традиционным технологиям.[5] В начале 1990-х годов были разработаны нанокомпозиты, которые позволили сделать 3D-печатные объекты более прочными, что позволило использовать 3D-печатные объекты не только для моделей.[6] Примерно в это время представители медицинской сферы начали рассматривать 3D-печать как способ создания искусственных органов.[5] К концу 1990-х годов медицинские исследователи искали биоматериалы, которые можно было бы использовать в 3D-печати.[5].

Концепция биопечати была впервые продемонстрирована в 1988 году.[7] В это время исследователь использовал модифицированную HP inkjet printer для нанесения клеток с помощью технологии цитоскрибирования.[7] Прогресс продолжился в 1999 году, когда первый искусственный орган, изготовленный с помощью биопечати, был напечатан командой ученых под руководством д-ра. Энтони Атала в Институте регенеративной медицины Уэйк Форест.[8] Ученые из Wake Forest напечатали искусственный каркас для человеческого мочевого пузыря, а затем засеяли его клетками своего пациента.[5] Используя этот метод, они смогли вырастить функционирующий орган, и через десять лет после имплантации у пациента не было серьёзных осложнений.[9].

После создания мочевого пузыря в Wake Forest Institute for Regenerative Medicine[англ.] были сделаны шаги в направлении печати других органов. В 2002 году была напечатана миниатюрная, полностью функциональная почка (биология).[6] В 2003 году доктор Томас Боланд из Университет Клемсона запатентовал использование струйная печать для клеток.[10] В этом процессе использовалась модифицированная точечная система для осаждения клеток в организованные 3D-матрицы, размещенные на субстрате.[10] Этот принтер позволил провести обширные исследования в области биопечати и подходящих биоматериалов.[9] Например, после этих первых открытий 3D-печать биологических структур получила дальнейшее развитие и стала включать производство структур тканей и органов, в отличие от клеточных матриц.[11] Кроме того, были исследованы и впоследствии внедрены в качестве средства производства другие методы печати, такие как экструзионная биопечать. [11]

В 2004 году область биопечати была радикально изменена ещё одним новым биопринтером.[9] Этот новый принтер мог использовать живые человеческие клетки без необходимости создания искусственного каркаса.[9] В 2009 году Organovo использовала эту новую технологию для создания первого коммерчески доступного 3D-биопринтера.[9] Вскоре после этого был создан 3D-биопринтер. Биопринтер был использован для разработки биодеградируемый кровеносный сосуд, первый в своем роде, без клеточного каркаса.[9].

За последние десять лет дальнейшие исследования были направлены на создание других органов таких как печень и сердечный клапан, и тканей, таких как кровеносная сеть, с помощью 3D-печати.[9] В 2019 году ученые из Израиля совершили большой прорыв, когда им удалось напечатать сердце размером сердца кролика с сетью кровеносных сосудов, способных сокращаться подобно естественным кровеносным сосудам.[12] Напечатанное сердце имело правильную анатомическую структуру и функции по сравнению с настоящим сердцем.[12] Этот прорыв представлял реальную возможность печати полностью функционирующих человеческих органов.[9] Фактически, ученые Варшавского фонда исследований и развития науки в Польша работали над созданием полностью искусственной поджелудочной железы с помощью технологии биопринтинга.[9] На сегодняшний день эти ученые смогли создать функционирующий прототип.[9] Это растущая область, и многие исследования все ещё проводятся.

В 2004 году область биопечати была радикально изменена ещё одним новым 3D-биопринтером.[9] Этот новый принтер мог использовать живые человеческие клетки без необходимости создания искусственного каркаса.[9] В 2009 году Organovo использовала эту новую технологию для создания первого коммерчески доступного 3D-биопринтера.[9] Вскоре после этого Organovo’s был создан 3D-биопринтер. Биопринтер был использован для разработки биодеградируемого кровеносного сосуда, первый в своем роде, без клеточного каркаса.[9].

Техника 3D-печати

3D-печать для изготовления искусственных органов была основной темой исследований в биологической инженерии. По мере того, как методы быстрого производства, связанные с 3D-печатью, становятся все более эффективными, их применимость в синтезе искусственных органов и тканей становится все более очевидной. Некоторые из основных преимуществ 3D-печати заключаются в возможности массового производства конструкций Скаффолд, а также в высокой степени анатомической точности изделий Скаффолд. Это позволяет создавать конструкции, которые более эффективно напоминают микроструктуру естественного органа или структуру ткани.[13] Печать органов с помощью 3D-печати может осуществляться с использованием различных методик, каждая из которых обладает специфическими преимуществами, подходящими для конкретных типов производства органов.

Жертвенная запись в функциональную ткань (SWIFT)

Жертвенная запись в функциональную ткань (SWIFT) — это метод печати органов, при котором живые клетки плотно упаковываются, чтобы имитировать плотность, которая имеет место в человеческом теле. Во время упаковки вырезаются туннели, имитирующие кровеносные сосуды, по которым доставляется кислород и необходимые питательные вещества. Эта техника объединяет другие методы, которые только упаковывали клетки или создавали сосудистую сеть. SWIFT объединяет оба метода и является усовершенствованием, приближающим исследователей к созданию функциональных искусственных органов.[2].

Стереолитографическая 3D биопечать

Этот метод печати органов использует пространственно-контролируемый свет или лазер для создания 2D рисунка, который наслаивается посредством селективной фотополимеризации в резервуаре биочернил. Затем 3D-структура может быть послойно построена с использованием 2D-шаблона. После этого биочернила удаляются из конечного продукта. SLA-биопечать позволяет создавать сложные формы и внутренние структуры. Разрешение деталей при этом методе чрезвычайно высокое, а единственным недостатком является нехватка биосовместимых смол.[14]

Капельная биопечать

Биопринтинг на основе капель создает клеточные разработки, используя капли заданного материала, который часто сочетается с клеточной линией. Сами клетки также могут быть нанесены таким образом с полимером или без него. При печати полимерных скаффолдов этими методами каждая капля начинает полимеризоваться при контакте с поверхностью субстрата и сливается в более крупную структуру по мере того, как капли начинают коалесцировать. Полимеризация может происходить различными методами в зависимости от используемого полимера. Например, полимеризация альгината начинается под воздействием ионов кальция в подложке, которые диффундируют в жидкие биочернила и позволяют сформировать прочный гель. Биопринтинг на основе капель обычно используется благодаря своей скорости производства. Однако это может сделать его менее подходящим для более сложных структур органов.[15].

Экструзионная биопечать

Экструзионная биопечать включает последовательную подачу определённой печатной ткани и клеточной линии из экструдера — своего рода портативной печатающей головки. Это, как правило, более контролируемый и мягкий способ печати ткани или клеток, позволяющий использовать более значительную плотность клеток для создания трехмерных структур тканей или органов. В любом случае, такие преимущества сдерживаются более низкой скоростью печати, используемой в этой процедуре. Экструзионная биопечать часто сочетается с УФ-светом, который фотополимеризует напечатанную ткань для создания более устойчивой, координатной конструкции.

Моделирование плавленым напылением

Моделирование методом наплавленного осаждения (FDM) является более распространенным и недорогим по сравнению с селективное селективным лазерным спеканием. В этом принтере используется печатающая головка, схожая по структуре со струйным принтером, однако чернила не используются. Пластиковые шарики нагреваются при высокой температуре и выпускаются из печатающей головки по мере её движения, формируя объект тонкими слоями[3]. В принтерах FDM могут использоваться различные пластики. Кроме того, большинство деталей, напечатанных с помощью FDM, обычно состоят из тех же термопластов, которые используются в традиционном литьем под давлением жидкой силиконовой резины или методах механической обработки[3]. Благодаря этому такие детали имеют аналогичные характеристики прочности, механических свойств и стабильности[3]. Точный контроль позволяет обеспечить постоянное количество выпуска и конкретное место осаждения для каждого слоя, участвующего в создании формы[3]. По мере осаждения нагретого пластика из печатающей головки он сплавляется или соединяется с нижележащими слоями. По мере остывания каждого слоя он затвердевает и постепенно приобретает ту форму, которую предполагалось создать, по мере того как в структуру вносится все больше слоев.

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное спекание (SLS) использует порошкообразный материал в качестве субстрата для печати новых объектов. SLS может использоваться для создания металлических, пластиковых и керамических объектов. Эта технология использует лазер, управляемый компьютером, в качестве источника энергии для спекания порошкового материала.[16]

Лазер прорисовывает в порошке поперечное сечение формы желаемого объекта, который сплавляется в твердую форму.[16] Затем укладывается новый слой порошка, и процесс повторяется. Каждый слой с каждым новым нанесением порошка, один за другим, формирует весь объект. Одним из преимуществ SLS-печати является то, что после печати объекта требуется очень мало дополнительных инструментов, то есть шлифовки.[16] Последние достижения в печати органов с помощью SLS включают 3D-конструкции краниофациальные имплантаты, а также скаффолды для инженерии сердечной ткани.[16].

Материалы для печати

Материалы для печати должны соответствовать широкому спектру критериев, одним из главных является биосовместимость. Получаемые в результате 3D-печатные материалы должны быть физически и химически пригодны для пролиферации клеток. Биодеградация является ещё одним важным фактором и гарантирует, что искусственно сформированная структура может быть разрушена после успешной трансплантации, чтобы быть замененной полностью естественной клеточной структурой. Из-за природы 3D-печати используемые материалы должны быть настраиваемыми и адаптируемыми, подходящими для широкого спектра типов клеток и структурных конформаций.[17]

Природные полимеры

Материалы для 3D-печати обычно состоят из альгината или фибрина полимеров, которые были интегрированы с клеточной адгезией молекулами, которые поддерживают физическое прикрепление клеток. Такие полимеры специально разработаны для сохранения структурной стабильности и восприимчивости к клеточной интеграции. Под термином «биочернила» подразумевается широкий спектр материалов, совместимых с 3D-биопринтингом.[18] Гидрогели альгинаты стали одним из наиболее часто используемых материалов в исследованиях по печати органов, поскольку они хорошо настраиваются и могут быть точно настроены для имитации определённых механических и биологических свойств, характерных для естественных тканей. Способность гидрогелей подстраиваться под конкретные нужды позволяет использовать их в качестве адаптируемого скаффолд материала, который подходит для различных структур тканей или органов и физиологического состояния[19] Основной проблемой при использовании альгината является его стабильность и медленная деградация, что затрудняет разрушение искусственного геля и замещение его собственным внеклеточным матриксом имплантированных клеток.[20] Гидрогель, пригодный для экструзионной печати, также часто менее структурно и механически прочен; однако эта проблема может быть решена путем включения других биополимеров, таких как наноцеллюлоза, для обеспечения большей стабильности. Свойства альгината или смешанного полимера биочернил являются настраиваемыми и могут быть изменены для различных применений и типов органов.[20]. Другие природные полимеры, которые использовались для печати тканей и 3D печати органов, включают хитозан, гидроксиапатит (HA), коллаген и желатин. Желатин — это термочувствительный полимер, обладающий отличной износостойкостью, растворимостью, биодеградируемостью, биосовместимостью, а также низким иммунологическим отторжением.[21]. Эти качества являются преимуществом и приводят к высокой степени совместимости распечатанного органа при имплантации.

Синтетические полимеры

Синтетические полимеры- это искусственные материалы, полученные в результате химических реакций мономеров. Их механические свойства выделяются тем, что их молекулярный вес можно регулировать от низкого до высокого в зависимости от различных требований.[21] Однако отсутствие функциональных групп и структурная сложность ограничивают их использование в печати органов. Современные синтетические полимеры с отличной 3D печатью и совместимостью с тканями включают полиэтиленгликоль (PEG), поли(молочно-гликолевая кислота) (PLGA) и полиуретан (PU). PEG — это биосовместимый, неиммуногенный синтетический эфир, обладающий регулируемыми механическими свойствами для использования в 3D-биопечати.[21] Хотя PEG использовался в различных приложениях 3D-печати, отсутствие доменов клеточной адгезии ограничило дальнейшее использование в печати органов. PLGA, синтетический сополимер, широко встречающийся у живых существ, таких как животные, люди, растения и микроорганизмы. PLGA используется в сочетании с другими полимерами для создания различных систем материалов, включая PLGA-желатин, PLGA-коллаген, все из которых улучшают механические свойства материала, Биосовместимость при помещении in vivo, и имеют регулируемую биодеградацию.[21] PLGA чаще всего используется в печатных конструкциях для кости, печени и других крупных органов. Наконец, PU уникален тем, что его можно разделить на две группы: биоразлагаемый и небиоразлагаемый.[21] Он был использован в области биопринтинга благодаря своим превосходным механическим и биоинертным свойствам. Применением PU может быть неживое искусственное сердце, однако с помощью существующих 3D-биопринтеров этот полимер не может быть напечатан.[21] Новый эластомерик PU был создан из PEG и поликапролактона (PCL) мономеров.[21] Этот новый материал демонстрирует превосходную биосовместимость, биоразлагаемость, биопечатаемость и биостабильность для использования в печати и производстве сложных биоискусственных органов.[21] Благодаря высокой васкулярии и конструкции нейронных сетей, этот материал может быть применен для печати органов различной сложности, таких как мозг, сердце, легкие и почки.

Природно-синтетические гибридные полимеры

Натурально-синтетические гибридные полимеры основаны на синергическом эффекте между синтетическими и биополимерными компонентами.[21] Желатин-метакрилоил (GelMA) стал популярным биоматериалом в области биопринтинга. GelMA показал, что он обладает жизнеспособным потенциалом в качестве материала для биочернила благодаря своей подходящей биосовместимости и легко настраиваемым психохимическим свойствам.[21] Hyaluronic acid (HA)-PEG — ещё один природно-синтетический гибридный полимер, который оказался очень успешным в биопринтинге. HA в сочетании с синтетическими полимерами помогает получить более стабильные структуры с высокой жизнеспособностью клеток и ограниченной потерей механических свойств после печати.[21] Недавнее применение HA-PEG в биопечати — создание искусственной печени. Наконец, серия биодеградируемых полиуретан (ПУ)-желатин гибридных полимеров с настраиваемыми механическими свойствами и эффективной скоростью деградации была внедрена в печать органов.[21] Этот гибрид позволяет печатать сложные структуры, такие как носообразная конструкция.

Все описанные выше полимеры потенциально могут быть изготовлены в виде имплантируемых, биоискусственных органов для целей, включая, но не ограничиваясь, индивидуальным восстановлением органов, скринингом лекарств, а также метаболическим модельным анализом.

Источники клеток

Создание полноценного органа часто требует включения множества различных типов клеток, расположенных определённым и узорчатым образом. Одним из преимуществ 3D-печатных органов по сравнению с традиционной трансплантацией является возможность использовать клетки, полученные от пациента, для создания нового органа. Это значительно снижает вероятность отторжения трансплантата и может устранить необходимость в иммуносупрессивных препаратах после трансплантации, что снизит риск для здоровья при трансплантации. Однако, поскольку не всегда возможно собрать все необходимые типы клеток, может потребоваться сбор взрослых стволовых клеток или индуцированных плюрипотенных стволовых клеток в тканях.[19] Это связано с ресурсоемким ростом и дифференцировкой клеток и сопряжено с собственным набором потенциальных рисков для здоровья, поскольку пролиферация клеток в печатном органе происходит вне организма и требует внешнего применения факторов роста. Однако способность некоторых тканей к самоорганизации в дифференцированные структуры может дать возможность одновременно конструировать ткани и формировать отдельные клеточные популяции, повышая эффективность и функциональность печати органов. Традиционно принять выделять следующие виды принтеров органов:

  • Струйный принтер
  • Многосопловый
  • Гибридный принтер
  • Электроспиннинг

Эти принтеры используются в методах, описанных ранее. Каждый принтер требует различных материалов и имеет свои преимущества и ограничения.

Приложения

Донорство органов

В настоящее время единственным методом лечения людей с отказом органов является ожидание пересадки от живого или недавно умершего донора.[22] Только в США более 100 000 пациентов находятся в списке трансплантации органов, ожидая донорских органов.[23] Пациенты в списке доноров могут ждать несколько дней, недель, месяцев или даже лет, пока освободится подходящий орган. Среднее время ожидания для некоторых распространенных видов трансплантации органов следующее: четыре месяца для сердца или легкого, одиннадцать месяцев для печени, два года для поджелудочной железы и пять лет для почки.[24] Это значительно больше, чем в 1990-х годах, когда пациент мог ждать сердце всего пять недель.[22] Такие длительные сроки ожидания объясняются нехваткой органов, а также необходимостью поиска органов, подходящих для реципиента.[24] Орган считается подходящим для пациента на основании группы крови, сопоставимых размеров тела донора и реципиента, тяжести состояния здоровья пациента, длительности ожидания органа пациентом, доступности пациента, то есть, возможности связаться с пациентом, если таковая имеется.

Фармакологические исследования

Технология 3D-печати позволяет быстро и экономически эффективно изготавливать изделия высокой степени сложности с высокой воспроизводимостью[3]. 3D-печать была использована в фармацевтических исследованиях и производстве, обеспечивая преобразующую систему, позволяющую точно контролировать размер капель и дозу, персонализированную медицину и производство сложных профилей высвобождения лекарств[3]. Эта технология позволяет создавать имплантируемые устройства доставки лекарств, в которых лекарство вводится в 3D-печатный орган и высвобождается после in vivo[3]. Кроме того, печать органов была использована в качестве преобразующего инструмента для испытаний in vitro[3]. Напечатанный орган может быть использован для исследования факторов выпуска лекарств и их дозировки[3]..

Орган-на-чипе

Технология печати органов также может быть объединена с технологией микрофлюидики для разработки органа на чипе.[25] Эти Органы-на-чипе потенциально могут быть использованы для моделирования заболеваний, помощи в открытии лекарств и проведения высокопроизводительных анализов.[25] Орган-на-чипе работает, предоставляя 3D-модель, имитирующую естественный внеклеточный матрикс, что позволяет им демонстрировать реалистичные реакции на лекарства.[25] До сих пор исследования были сосредоточены на разработке печени-на-чипе и сердца-на-чипе, но существует потенциал для разработки модели всего тела-на-чипе.[25].

Комбинируя 3D-печатные органы, исследователи могут создать тело-на-чипе. Модель «сердце-на-чипе» уже использовалась для изучения того, как некоторые лекарства с негативными побочными эффектами, основанными на сердечном ритме, такие как химиотерапевтический препарат доксорубицин, могут воздействовать на людей на индивидуальной основе.[26] Новая платформа «орган-на-чипе» включает печень, сердце, легкие и почка-на-чипе. Органы-на-чипе печатаются или конструируются отдельно, а затем соединяются вместе. С помощью этой платформы исследования токсичности лекарств проводятся с высокой пропускной способностью, что снижает стоимость и повышает эффективность процесса открытия лекарств.[25].

Правовые нормы и безопасность

Технологии 3D-печати используются в различных отраслях промышленности с общей целью изготовления продукта. С другой стороны, печать органов — это новая отрасль, в которой используются биологические компоненты для разработки терапевтических приложений для трансплантации органов. В связи с повышенным интересом к этой области, регулирование и этические соображения отчаянно нуждаются в разработке.[27] В частности, могут возникнуть юридические осложнения от доклинического до клинического применения этого метода лечения.[28].

Регулирование

Текущее регулирование подбора органов сосредоточено на национальном регистре доноров органов после принятия в 1984 году National Organ Transplant Act.[1] Этот закон был принят для обеспечения равного и честного распределения, хотя он оказался недостаточным из-за большого спроса на трансплантацию органов. Печать органов может помочь уменьшить дисбаланс между спросом и предложением путем печати органов для конкретных пациентов; все это неосуществимо без регулирования. Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) отвечает за регулирование биологических препаратов, устройств и лекарств в США.[27][28] Из-за сложности этого терапевтического подхода место печати органов в спектре не определено. Исследования характеризуют напечатанные органы как многофункциональные комбинированные продукты, что означает, что они находятся между секторами биологических препаратов и устройств FDA; это приводит к более обширным процессам рассмотрения и утверждения.[27][28][29] В 2016 году FDA выпустило проект руководства «Технические аспекты для устройств аддитивного производства» и в настоящее время оценивает новые заявки на 3D-печатные устройства.[30] Однако сама технология ещё недостаточно развита, чтобы FDA могло непосредственно внедрять её.[29] В настоящее время 3D-принтеры, а не готовые изделия, являются основным объектом оценки на безопасность и эффективность с целью стандартизации технологии для персонализированных подходов к лечению. С глобальной точки зрения, только административные органы Южной Кореи и Японии по регулированию медицинского оборудования предоставили руководящие принципы, применимые к 3D-биопечати.[27].

Существуют также проблемы, связанные с интеллектуальной собственностью и правом собственности. Это может оказать большое влияние на более существенные вопросы, такие как пиратство, контроль качества производства и несанкционированное использование на чёрном рынке.[28][29] Эти соображения в большей степени касаются материалов и процессов производства; они более подробно описаны в подразделе правовых аспектов 3D-печать.

Этические соображения

С этической точки зрения, существуют опасения по поводу доступности технологий печати органов, источников клеток и ожиданий общества. Хотя этот подход может быть менее затратным, чем традиционная хирургическая трансплантация, существует скептицизм в отношении социальной доступности этих 3D-печатных органов. Современные исследования показали, что существует потенциальное социальное расслоение для более богатого населения, которое будет иметь доступ к этой терапии, в то время как население в целом остается в реестре органов.[31] Также необходимо учитывать источники клеток, упомянутые ранее. Печать органов может уменьшить или исключить исследования и испытания на животных, но также поднимает вопросы об этических последствиях аутологичных и аллогенных источников.[31][32] Более конкретно, начались исследования по изучению будущих рисков для людей, проходящих экспериментальные испытания.[27] В целом, такое применение может вызвать социальные, культурные и религиозные различия, что усложняет всемирную интеграцию и регулирование.[28] В целом, этические соображения печати органов схожи с общими положениями этики биопечати, но экстраполируются с тканей на органы. В целом, печать органов имеет краткосрочные и долгосрочные юридические и этические последствия, которые необходимо рассмотреть, прежде чем станет возможным массовое производство.

Влияние

Печать органов для медицинского применения все ещё находится на стадии разработки. Таким образом, долгосрочное воздействие печати органов ещё предстоит определить. Исследователи надеются, что печать органов может уменьшить нехватку органов для пересадки[33]. В настоящее время существует дефицит доступных органов, включая печень, почки и легкие.[34] Длительное время ожидания получения жизненно важных органов является одной из основных причин смерти в США, причем почти треть смертей в США ежегодно можно было бы отсрочить или предотвратить с помощью трансплантации органов.[34] В настоящее время единственным органом, который был создан с помощью 3D-биопечати и успешно пересажен человеку, является мочевой пузырь.[35] Мочевой пузырь был сформирован из тканей мочевого пузыря хозяина.[35] Исследователи предположили, что потенциальное положительное влияние 3D-печатных органов заключается в возможности адаптировать органы для реципиента[3]. Разработки, позволяющие использовать клетки организма реципиента для синтеза органов, снижают риск отторжения органов.[34].

Возможность печатать органы снизила потребность в тестировании на животных.[36] Испытания на животных используются для определения безопасности различных продуктов — от косметики до медицинских приборов. Косметические компании уже используют небольшие модели тканей для тестирования новых продуктов на коже.[36] Возможность 3-D печати кожи уменьшает необходимость испытаний на животных для тестирования косметики.[34] Кроме того, возможность печати моделей человеческих органов для тестирования безопасности и эффективности новых лекарств ещё больше уменьшает необходимость испытаний на животных.[36] Исследователи из Гарвардского университета определили, что безопасность лекарств может быть точно проверена на небольших моделях тканей легких.[36] Компания Organovo, разработавшая в 2009 году один из первых коммерческих биопринтеров, показала, что биоразлагаемые 3D модели тканей можно использовать для исследования и разработки новых лекарств, в том числе для лечения рака.[37] Дополнительное влияние печати органов включает возможность быстрого создания моделей тканей, что повышает производительность[3]..

Проблемы

Одной из проблем 3D-печати органов является воссоздание сосудистой системы, необходимой для поддержания жизни органов.[38] Создание правильной сосудистой системы необходимо для транспортировки питательных веществ, кислорода и отходов[38]. Кровеносные сосуды, особенно капилляры, сложны из-за малого диаметра.[34] Прогресс в этой области был достигнут в Университете Райса, где исследователи разработали 3D-принтер для изготовления сосудов из биосовместимых гидрогелей и создали модель легких, которая может насыщать кровь кислородом[38]. Однако вместе с этой техникой возникает проблема воспроизведения других мельчайших деталей органов[38]. Трудно воспроизвести запутанные сети дыхательных путей, кровеносных сосудов и желчных протоков и сложную геометрию органов[38].

Проблемы, возникающие в области печати органов, выходят за рамки исследований и разработки методов решения проблем многососудистости и сложной геометрии. Прежде чем печать органов станет широко доступной, необходимо найти источник устойчивых клеток и разработать крупномасштабные производственные процессы.[39]. Дополнительные проблемы включают разработку клинических испытаний для проверки долгосрочной жизнеспособности и биосовместимости синтетических органов.[39] Хотя в области печати органов было сделано много достижений, необходимо провести ещё больше исследований.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Shaer, Matthew com/innovation/soon-doctor-print-human-organ-on-demand-180954951/ Soon, Your Doctor Could Print a Human Organ on Demand (англ.). Smithsonian Magazine (май 2015). Дата обращения: 2 апреля 2020.
  2. ↑ 1 2 Salzman, Sony 3D-printed hears with 'beating' tissue could ease ease donor shortage. NBC News (23 сентября 2019). Дата обращения: 1 апреля 2020. Архивировано 20 апреля 2020 года.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ventola, C. Lee (October 2014). "Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses". Pharmacy and Therapeutics. 39 (10): 704—711. ISSN 1052-1372. PMC 4189697. PMID 25336867.
  4. ↑ Weintraub, Karen nytimes.com/2015/01/27/science/off-the-3-d-printer-practice-parts-for-the-surgeon.html Off the 3-D Printer, Practice Parts for the Surgeon (англ.). The New York Times (26 января 2015). Дата обращения: 2 апреля 2020. Архивировано 15 июля 2015 года.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 htm How 3-D Bioprinting Works (англ.). HowStuffWorks (17 декабря 2013). Дата обращения: 2 апреля 2020.
  6. ↑ 1 2 3 Changing the future of medicine with 3D Bioprinting | Biogelx. www.biogelx.com. Дата обращения: 22 апреля 2020.
  7. ↑ 1 2 Gu, Zeming; Fu, Jianzhong; Lin, Hui; He, Yong (2019-12-17). "Development of 3D bioprinting: From printing methods to biomedical applications". Asian Journal of Pharmaceutical Sciences (англ.). 15 (5): 529—557. doi:10.1016/j.ajps.2019.11.003. ISSN 1818-0876. PMC 7610207.
  8. ↑ edu/Research/Institutes-and-Centers/Wake-Forest-Institute-for-Regenerative-Medicine/Research/A-Record-of-Firsts A Record of Firsts. Wake Forest School of Medicine. Дата обращения: 22 апреля 2020.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 История биопечати (англ.). CD3D (12 мая 2019). Дата обращения: 2 апреля 2020. Архивировано 9 декабря 2019 года.
  10. ↑ 1 2 Boland, Thomas Патент US7051654: струйная печать жизнеспособных клеток. Google. com. Дата обращения: 31 марта 2015. Архивировано 18 мая 2015 года.
  11. ↑ 1 2 Bajaj, Piyush; Schweller, Ryan M.; Khademhosseini, Ali; West, Jennifer L.; Bashir, Rashid. 3D Biofabrication Strategies for Tissue Engineering and Regenerative Medicine // Annual Review of Biomedical Engineering. — 2014. — doi:10.1146/annurev-bioeng-071813-105155.
  12. ↑ 1 2 Freeman, David com/mach/science/israeli-scientists-create-world-s-first-3d-printed-heart-using-ncna996031 Израильские ученые создали первое в мире 3D-печатное сердце с использованием человеческих клеток (англ.). NBC News (19 апреля 2019). Дата обращения: 22 апреля 2020.
  13. ↑ Hockaday, L A; Kang, K H; Colangelo, N W; Cheung, P Y C; Duan, B; Malone, E; Wu, J; Girardi, L N; Bonassar, L J; Lipson, H; Chu, C C (2012- 08-23). "Быстрая 3D печать анатомически точных и механически неоднородных гидрогелевых скаффолдов для аортального клапана". Biofabrication. 4 (3): 035005. Bibcode:2012BioFa...4c5005H. ISSN 1758-5082. PMC 3676672. PMID 22914604. {{cite journal}}: Проверьте значение даты: |date= (справка)
  14. ↑ Zhang, Yi; Zhou, Dezhi; Chen, Jianwei; Zhang, Xiuxiu; Li, Xinda; Zhao, Wenxiang; Xu, Tao. Biomaterials Based on Marine Resources for 3D Bioprinting Applications // Marine Drugs. — 2019-09-28. — Т. 17, вып. 10. — С. 555. — ISSN 1660-3397. — PMID 31569366. — PMC 6835706. Архивировано 3 августа 2022 года.
  15. ↑ Auger, François A.; Gibot, Laure; Lacroix, Dan (2013). "Подлинная роль васкуляризации в тканевой инженерии". Annual Review of Biomedical Engineering. 15: 177—200. PMID 23642245.
  16. ↑ 1 2 3 4 Chia, Helena N; Wu, Benjamin. Recent advances in 3D printing of biomaterials // Journal of Biological Engineering. — 2015-03-01. — Т. 9, вып. 1. — С. 4. — ISSN 1754-1611. — PMID 25866560. — PMC 4392469. Архивировано 2 мая 2022 года.
  17. ↑ Augst, Alexander D.; Kong, Hyun Joon; Mooney, David J. (2006-08-07). "Alginate Hydrogels as Biomaterials". Macromolecular Bioscience. 6 (8): 623—633. doi:10.1002/mabi.200600069. ISSN 1616-5187. PMID 16881042.
  18. ↑ Kesti, Matti; Müller, Michael; Becher, Jana; Schnabelrauch, Matthias; D'Este, Matteo; Eglin, David; Zenobi- Wong, Marcy (January 2015). "Универсальный биочернила для трехмерной печати клеточных скаффолдов на основе термически и фото-триггерного тандемного гелеобразования". Acta Biomaterialia. 11: 162—172. hdl:20.500.11850/103400. ISSN 1742-7061. PMID 25260606.
  19. ↑ 1 2 Bajaj, Piyush; Schweller, Ryan M.; Khademhosseini, Ali; West, Jennifer L.; Bashir, Rashid (2014-07-11). "3D Biofabrication Strategies for Tissue Engineering and Regenerative Medicine". Annual Review of Biomedical Engineering. 16 (1): 247—276. ISSN 1523-9829. PMC 4131759. PMID 24905875.
  20. ↑ 1 2 Axpe, Eneko; Oyen, Michelle. Применение биоинков на основе альгинатов в 3D-биопечати // Critical Reviews in Biotechnology. — 2016-01-14. — Т. 17, вып. 12. — С. 1976. — ISSN 1422-0067. — PMID 27898010. — PMC 5187776.
  21. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Wang, Xiaohong. Advanced Polymers for Three-Dimensional (3D) Organ Bioprinting // Critical Reviews in Biotechnology. — 2016-01-14. — Т. 1, вып. 10. — С. 814. — ISSN 0738-8551. — doi:10.3109/07388551.2015.1130684.
  22. ↑ 1 2 Salzman, Sony com/mach/science/3d-printed-hearts-beating-tissue-could-ease-organ-donor-shortage-ncna1057591 3D-printed hears with 'beating' tissue could ease donor shortage. NBC News (23 сентября 2019). Дата обращения: 1 мая 2020.
  23. ↑ Статистика донорства органов | Organ Donor (англ.). www.organdonor.gov (10 апреля 2018). Дата обращения: 2 апреля 2020. Архивировано 4 апреля 2020 года.
  24. ↑ 1 2 The Waiting List | Gift of Life Donor Program. www.donors1.org. Дата обращения: 2 апреля 2020. Архивировано 10 августа 2020 года.
  25. ↑ 1 2 3 4 5 Zhang, Bin; Gao, Lei; Ma, Liang; Luo, Yichen; Yang, Huayong; Cui, Zhanfeng. 3D Bioprinting: A Novel Avenue for Manufacturing Tissues and Organs // Engineering. — 2019-08-01. — Т. 5, вып. 4. — С. 777—794. — ISSN 2095-8099. Архивировано 25 ноября 2021 года.
  26. ↑ Zhang, Yu Shrike (2016). "Bioprinting 3D Microfibrous Scaffolds for Engineering Endothelialized Myocardium and heart-on-a-chip". Biomaterials. 110: 45—59. doi:10.1016/j.biomaterials.2016.09.003. PMC 5198581. PMID 27710832 — Elsevier.
  27. ↑ 1 2 3 4 5 Gilbert, Frederic; O'Connell, Cathal D.; Mladenovska, Tajanka; Dodds, Susan (2018-02-01). "Print Me an Organ? Ethical and Regulatory Issues Emerging from 3D Bioprinting in Medicine" (PDF). Science and Engineering Ethics (англ.). 24 (1): 73—91. doi:10.1007/s11948-017-9874-6. ISSN 1471-5546. PMID 28185142. Архивировано (PDF) 24 марта 2022. Дата обращения: 25 ноября 2021.
  28. ↑ 1 2 3 4 5 Vijayavenkataraman, S.; Lu, W. F.; Fuh, J. Y. H. (2016-03-01). "3D биопечати - этические, правовые и социальные аспекты (ELSA) рамки". Bioprinting (англ.). 1—2: 11—21. doi:10.1016/j.bprint.2016.08.001. ISSN 2405-8866. Архивировано 25 ноября 2021. Дата обращения: 25 ноября 2021.
  29. ↑ 1 2 3 Wolinsky, Howard (2014). "Printing organs cell-by-cell". EMBO Reports. 15 (8): 836—838. doi:10.15252/embr.201439207. ISSN 1469-221X. PMC 4197040. PMID 25012625.
  30. ↑ Health, Center for Devices and Radiological (2019-02-09). "FDA's Role in 3D Printing". FDA (англ.). Архивировано 25 ноября 2021. Дата обращения: 25 ноября 2021.
  31. ↑ 1 2 Vermeulen, Niki; Haddow, Gill; Seymour, Tirion; Faulkner-Jones, Alan; Shu, Wenmiao (2017-09-01). "3D bioprint me: a socioethical view of bioprinting human organs and tissues". Journal of Medical Ethics (англ.). 43 (9): 618—624. ISSN 0306-6800. PMC 5827711. PMID 28320774.
  32. ↑ Mihalyi, Jessica. The custom-made body - legal aspects of bioprinted tissue and organs : [англ.] / Jessica Mihalyi, Anne-Kathrin Müller. — Gesellschaft für Informatik e.V., 2016. — ISBN 978-3-88579-653-4. Архивная копия от 25 ноября 2021 на Wayback Machine
  33. ↑ Ozbolat, Ibrahim T.; Yu, Yin. Bioprinting towards organ fabrication: challenges and future trends // Critical Reviews in Biotechnology. — 2013. — Т. 60, вып. 3. — С. 691—699. — ISSN 1558-2531. — doi:10.1109/TBME.2013.2243912. — PMID 23372076. Архивировано 25 ноября 2021 года.
  34. ↑ 1 2 3 4 5 Lewis, Tim Could 3D printing solve the organ transplant shortage? (англ.). The Observer (30 июля 2017). Дата обращения: 29 апреля 2020. Архивировано 29 апреля 2020 года.
  35. ↑ 1 2 Мочевой пузырь, выращенный из 3D-биопечатной ткани, продолжает функционировать спустя 14 лет (англ.). 3D Printing Industry (12 сентября 2018). Дата обращения: 29 апреля 2020. Архивировано 21 сентября 2020 года.
  36. ↑ 1 2 3 4 Bioprinting: Ethical and societal implications (англ.). ASCB (16 ноября 2018). Дата обращения: 29 апреля 2020. Архивировано 13 июня 2021 года.
  37. ↑ net/2019/05/12/the-history-of-bioprinting/ История биопечати (англ.). CD3D (12 мая 2019). Дата обращения: 29 апреля 2020.
  38. ↑ 1 2 3 4 5 Gent, Edd com/2019/05/07/new-progress-in-the-biggest-challenge-with-3d-printed-organs/ Новый прогресс в решении самой большой проблемы с 3D-печатными органами (англ.). Singularity Hub (7 мая 2019). Дата обращения: 29 апреля 2020.
  39. ↑ 1 2 Gent, Edd. A critical review of current progress in 3D kidney biomanufacturing: advances, challenges, and recommendations // Renal Replacement Therapy. — 2019 12. — Т. 5, вып. 1. — С. 18. — ISSN 2059-1381. Архивировано 25 ноября 2021 года.