Современные направления в создании трансплантатов органов

ЗАЧЕМ ЧТО-ТО МЕНЯТЬ?
Забор органа реципиента
Определение момента смерти реципиента (Надежность диагностики смерти)
Сложность доставки органов
Отторжение трансплантата, Иммунологическая несовместимость
Нехватка органов
Распределение уже имеющихся органов и тканей реципиента

КСЕНОТРАНСПЛАНТАЦИЯ
ксенотрансплантация цельного органа - исходный орган животного, например почка или печень, пересаживается человеку;
ксенотрансплантация клеток и тканей - трансплантация тканей или клеток животного происхождения без какой бы то ни было хирургической связи кровеносных сосудов животного с кровеносными сосудами реципиента;
экстракорпоральная перфузия - кровь человека циркулирует вне человеческого организма через орган животного происхождения, например печень или почку, или через биологический искусственный орган, созданный посредством культивирования животных клеток на искусственной матрице;
воздействие на живой материал животного происхождения - физиологические жидкости, клетки, ткани или органы человеческого организма удаляются из организма, вводятся в контакт с клетками, тканями или органами животного и затем снова пересаживаются в организм человека.

3D-БИОПРИНТИНГ
3D-биопринтинг — технология создания объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток

СТРУЙНЫЕ
Струйные - хранят биологический материал в картриджах, который распыляется на гидрогелевую подложку, как краска на бумагу.
Недостатки — неточный выброс капель и закупорка распыляющего сопла с возможной гибелью клеточного материала. Струйная печать органов на принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются.
Область применения ограничивается восстановлением костной, хрящевой ткани, мышц и кожи.
Достоинства — дешевизна и массовая воспроизводимость.

МИКРОЭКСТРУЗИОННЫЕ
Для печати используется пневматическая подача материала в подвижную головку-экструдер, которая укладывает клетки. Чем больше головок, тем точнее и быстрее работает принтер.
Недостатки — чем плотнее укладываются клетки, тем меньше их выживает. При сопоставимой плотности укладки, от микроэкструзионной печати погибает больше клеток, чем при струйной печати.
Достоинства — подходит для 3D печати органов высокой плотности, тонкая настройка подачи материала за счет регулирования давления.

ЛАЗЕРНЫЕ
Используют лазер для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки. Между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, которая снижает мощность луча.
Недостатки — повышенное содержание металла в клетках от испарения отражающего элемента. Цена.
Достоинства — контролируемая вплоть до отдельных клеток, укладка биоматериала.

Как это работает?
Забор жировой ткани от пациента, из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы
Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки
На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией
В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.

Очевидные сложные моменты

МОДЕЛЬ ОРГАНА
Итак, берётся CAD-файл (сейчас — формат stl) с моделью органа.
Проще всего получить модель, сделав трёхмерное сканирование самого пациента, а затем доработав данные на компьютере.

МАТЕРИАЛ
Берётся материал – тканевые сфероиды, которыми будет идти запечатка. В качестве основы используется гидрогель, выполняющий функции соединительной структуры. Затем 3D-принтер печатает орган из этих тканевых сфероидов.
В углубление помещается клеточная суспензия, затем клетки сращиваются, и образуется шарик – СФЕРОИД.
клетки в сфероидах имеют более высокую резистентность к стрессу, радиации и другим «неблагоприятным» факторам, что снижает вероятность изменения кариотипа этих клеток на этапе ex vivo

Центрифуга. Первый этап отделения материала из жировой ткани.

ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ БЛОКОВ
Следующая проблема – клетки в картридже горят желанием срастись. Тканевые сфероиды должны быть изолированы друг от друга, иначе они начнут срастаться раньше срока. Их нужно инкапсулировать, и для этого используется гиалуроновая кислота. В последствии она быстро «уходит» после печати.
При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас

ПЕЧАТЬ
Можно последовательно наносить материал ряд за рядом.
Затем фибрин легко деградирует в среде и вымывается при перфузии, и остаётся только нужная ткань.
Принтер печатает слоями по 250 микрометров: это баланс между оптимальным размером блока и риском гипоксии в сфероиде

ДЕНЕЖНАЯ СТОРОНА ВОПРОСА
Средняя цена биопринтера — четверть миллиона долларов, но доступны и бюджетные модели ценой до $10 000. Большинство принтеров, доступных для покупки — экструзионного типа и работают с каркасной печатью.
3D Bioplotter — $200,000. Envision TEC, Германия.
Novogen MMX — $250,00. Organovo, США.
Biobot 1 — $10 000. Biobots, США.
3DDiscovery — $200,000. RegenHU & Biofactory, Швейцария.
BioAssemblyBot — $160 000. Advanced Solutions, Нидерланды.
Поддержка больного аппаратами жизнеобеспечения стоит около $75 тыс. в год. За 10 лет, больной потратит $1 млн. Принтер стоит $200, 000 и примерно столько же — операция. Учитывая, сколько стоит печать органов, операция с применением 3D-биопринтинга удешевляется на 50%.

Челюсть 83-летней женщины из Бельгии поразил остеомиелит. Восстановление стоило дороже и продлилось бы дольше, чем удаление больной челюсти и имплантация распечатанной новой. Команда врачей под руководством профессора Жюля Пукана выполнила операцию и женщина могла говорить сразу после операции. Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.