Биопринтинг: искусственные органы, тестирование лекарств и моделирование рака

А как печатать?

Как вообще работает биопринтинг? В общем-то так же, как и обычная 3D-печать: инженеры создают модель и с помощью принтера воплощают её в реальность. При этом в чернилах имеются живые клетки, и по итогу мы получаем живую систему.

Вот как выглядит один из вариантов печати:

Существуют разные способы напечатать живую конструкцию.

• Метод экструзионной биопечати — специальные чернила под давлением выходят из сопла принтера:
  - В форме непрерывных нитей в случае микроэкструзионной печати
  (Microextrusion, B)
  - В форме отдельных капель в случае струйной печати
  (Inkjet, A)
• Литография — концентрированный луч света нагревает слои чернил в определенных местах, в результате чего они сплавляются в 3D-структуру (Stereolithography, D). По сравнению с экструзионными методами, можно достичь большего разрешения — то есть, создавать конструкции с более мелкими деталями. Однако этот метод дороже и подходят тут только определенные типы чернил, есть и другие сложности.
• Лазерная печать —  лазер нагревает слой биочернил, в результате чего образуется пузырек, выталкивающий биочернила на подложку. На подложке таким образом формируется желаемая структура (Laser‐assisted bioprinting, C).
• Сфероидная биопечать — тут в качестве чернил используются не просто клетки, а клеточные сфероиды. Сфероиды — это структуры, в которые самоорганизацию клетки при выращивании в пробирке, по свойствам они чем-то напоминают ткани и органы. Плюс использования сфероидов — за счёт высокой плотности клеток и их взаимодействия удаётся создавать структуры, по физиологии близкие к тканям и органам в настоящих живых организмах.

Сравнительную таблицу вариантов биопечати можно посмотреть по ссылке, самый популярный метод сейчас — это экструзионная биопечать.

Для чернил, используемых в экструзионной печати важен кросслинкинг — связи в чернилах, которые и обеспечивают итоговую структуру. Есть разные варианты обеспечить «твёрдость» напечатанной конструкции: крепкие ковалентные связи, ионные взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными компонентами, и даже водородные связи между комплементарными (подходящими друг к другу) цепями ДНК:

Вообще, методов биопечати много, есть продвинутые варианты, которые позволяют моделировать целые органы:

Зачем это всё?

То, что мы можем дать волю воображению и напечатать что-то из живых клеток — это круто, но как это применяется на практике в биотехнологической индустрии?

Искусственные ткани и регенративная медицина

Очевидное практическое применение биопечати — это регенеративная медицина. Если мы научимся печатать ткани и органы, мы сможем заменять повреждённые или вышедшие из строя части тела!

Вообще, уже существуют другие методы, которые в перспективе могут использоваться для создания искусственных тканей и органов, однако по сравнению с ними биопечать обладает преимуществами.

Один из основных плюсов биопечати — то, что процессы можно автоматизировать, при этом учитывая индивидуальные особенности пациентов.

Можно печатать самые разные структуры — сердце, кровеносные сосуды, кости, кожу, уши, роговицу глаза… Вот как выглядят искусственные напечатнные органы:

Лечение и профилактика заболеваний

Возможно, это неожиданно, но биопринтеры помогают тестировать лекарства и вакцины. За счёт биопечати можно ускорить процессы разработки, что особенно важно для борьбы с постоянно эволюционирующими болезнями (как COVID-19). Биофабрикация структур, которые хорошо симулируют живой организм, позволяет уменьшить количество попыток в поисках рабочего лекарства.

Кроме того, биопечатать помогает разрабатывать сложные современные препараты. Например, производятся напечатанные на 3D-принтере таблетки, состоящие из нескольких доз сразу, каждая из которых высвобождается в определённое время. Таким образом, человеку не нужно принимать таблетки каждые несколько часов — достаточно одной «многослойной» таблетки в день.

Моделирование рака

Напечатав структуру, напоминающую опухоль вместе с микроокружением (сосуды, иммунные клетки и другие компоненты). По сравнению с органами на чипе, которые тоже хорошо для этого подходят, биопечать позволяет:

• Создавать сложные системы с большим количеством клеток разных типов
• Получать воспроизводимые модели: грубо говоря, каждый может взять цифровую модель, закупить необходимые компоненты и относительно легко воссоздать идеальную систему. Это важно, чтобы проверять результаты исследований. Кроме того, такие системы легко модифицировать и переиспользовать для различных типов рака

Давайте на примере рака печени разберемся, как биопечать позволяет создавать такие системы с разными клетками.

Печень состоит из 6-угольников, в каждом из которых определенным образом чередуются гепатоциты (собственно, клетки печени) и эндотелиоциты (клетки сосудов):

Для моделироования этой структуры, учёные использовали стереолитографию. Чтобы подготовить цифровую модель, они наложили друг на друга два слоя: один — с гепатоцитами, другой — с эндотелиоцитами. (как в фотошопе) Затем, в ходе печати, принтер переключался с одного источника биочернил на другой: печатая то гепатоциты, то эндотелиоциты.

Таким образом за счёт последовательной печати слоёв с разными типами клеток удалось довольно точно воссоздать структуру печени, которая играет ключевую роль в микроокружении опухоли и развитии рака.

В целом, биопечать позволяет моделировать самые разные биологические процессы и заболевания человека, а рак — лишь одно из применений этой технологии.