Роботизированная конечность работает быстро: парит, снижается, а после выдавливает субстанцию из пары шприцов на более шести чашек Петри короткими быстрыми движениями. Вскоре в каждом сосуде образуется три маленьких шестиугольника. Через несколько минут они вырастают до сотовых конструкций размером с ноготь. Никто не будет пить латте в ближайшее время.
Добро пожаловать в эпоху биопечати, когда машины, построенные нами, строят кусочки нас.
Эти клетки — печень человека, говорит Шарон Преснелл, главный технический директор Organovo — или его подразделений. Крошечные шедевры биомедицинской инженерии почти идентичны образцам ткани реальной человеческой печени и состоят из реальных человеческих клеток. Но вместо того, чтобы выращивать их, ученые в блестящей огромной штаб-квартире Organovo печатают их, словно документ. Или, если быть точнее, они печатают точный макет.
За два десятилетия 3D-печать выросла из производственного нишевого процесса в 2,7-миллиардную (в долларах) индустрию, ответственную за изготовление всевозможных вещей: игрушек, часов, частей самолетов, еды. Теперь ученые работают над применением аналогичной технологии 3D-печати в сфере медицины, причем с ошеломляющей быстротой. Но совсем другое дело, да и куда более легкое, печатать из пластика, металла или шоколада, а не из живых клеток.
«Это невероятно сложно, но мы живем в переломный момент», — говорит Дин Камен, основатель DEKA Research & Development, на счету которого более 440 патентов, преимущественно из сферы медицинских устройств. В лабораториях по всему миру биоинженеры начали печатать части тела: клапаны сердца, уши, искусственные кости, суставы, мениски, сосудистые трубки и кожу для пересадки.
«Если у вас есть циркуль и прямоугольник, все что вы можете нарисовать — квадрат или круг», — говорит Камен. — «Когда вы получаете лучшие инструменты, вы начинаете думать иначе. Сегодня у нас есть возможность играть на таком уровне, на каком мы не могли делать это прежде».
С 2008 по 2011 год число научных работ по биопечати выросло втрое. Инвестиции увеличились. С 2007 года национальные американские институты здоровья получили грантов на 600 000 долларов. А в прошлом году Organovo привлекла 24,7 миллиона долларов в капитал.
Отрасль строится на трех китах: на более сложных принтерах, на достижениях в области регенеративной медицины и программном обеспечении CAD. Чтобы напечатать ткань печени в Organovo, Вивьен Горген, 25-летний системный инженер просто нажимает мышкой «запустить программу». Собранная из «сот» ткань печени прошла длинный путь и еще более длинный путь ей предстоит, но значительный шаг в этом направлении уже сделан.
«Нажать на кнопку и получить целый орган из коробки. Я верю, что это случится на моем веку», — говорит Преснелл. — «Не могу дождаться этого момента».
* * *
Самые первые биопринтеры не были дорогими или плохими. Они напоминали дешевые настольные принтеры, потому что, по сути, они таковыми и были. В 2000 году биоинженер Томас Боланд, самопровозглашенный «дедушка биопечати», положил глаз на старый принтер Lexmark в своей лаборатории в университете Клемсона. Ученые уже модифицировали струйные принтеры для печати фрагментов ДНК в рамках изучения генома. И если струйный принтер может напечатать гены, подумал Боланд, значит то же оборудование можно приспособить для печати биоматериалов. В конце концов, мельчайшая клетка человека по размерам около 10 микрометров, что примерно равно стандартному размеру капли чернил в принтере.
Боланд опустошил картридж Lexmark и наполнил его коллагеном. Потом приклеил тонкий черный слой силикона на чистую бумагу и подал в принтер. Потом открыт документ Word на компьютере, набрал свои инициалы и распечатал. На бумаге четко отпечатались буквы TB.
Штаб-квартира Organovo в Сан-Диего
В 2000 году Боланд и его команда перенастроили Hewlett-Packard DeskJet 550C для печати бактериями кишечной палочки. После этого они перешли к более крупным клеткам млекопитающих. После печати 90 % клеток остаются жизнеспособными, а значит продукт полезен, а не просто интересен. В 2003 году Боланд зарегистрировал первый патент на печать клеток.
В то время как Боланд в лаборатории трудился над проблемами биопечати, другие инженеры пытались применить 3D-принтеры в других медицинских отраслях. Они напечатали костные трансплантаты из керамики, зубные коронки из фарфора, слуховые аппараты из акрила и протезы из полимера. У этих инженеров было преимущество, которого не было у Боланда: они печатали в трех измерениях, а не в двух.
Поэтому Боланд и другие пионеры биопечати модифицировали свои принтеры. Они отключили механизмы подачи бумаги и добавили пошаговые элеваторные платформы. Платформа могла двигаться вниз и вверх по оси Z. Печатали один слой, опускали платформу и печатали другой слой. Очень быстро биоинженеры перешли от рисования на плоском холсте к построению скульптур.
«Это было похоже на волшебство», — рассказал Джеймс Ю, исследователь института регенеративной медицины Wake Forest, разрабатывающий портативный принтер для создания печатной кожи пострадавшим от ожогов. — «Каждая рана отличается глубиной и они все разные. Нанеся области на карту, вы можете определить, сколько слоев клеток необходимо для подкожной ткани, равно как и для эпителия. С принтером вы можете доставить клетки более точно и аккуратно».
Ученые могут печатать, используя разные типы «чернил». Корнельский инженер Ход Липсон предложил другой тип ткани: хрящи. «Пространственный контроль размещения клеток никогда не был возможен в такой степени», — говорит он. — «Это открывает новые возможности».
Липсон и его коллеги решили напечатать мениск, C-форменный кусочек хряща, который соединяет колено и другие суставы. Команда использована CT-сканы для создания CAD-файла мениска и экстрагировала клетки из овцы, чтобы создать идентичный мениск.
Напечатанное ухо
Хотя первый мениск Липсона выглядел многообещающе, когда он показал его хирургам, которые оперируют колени, они сказали, что он слишком слаб, чтобы противостоять сопротивлению организма.
«Поскольку я не так близок к биологии, я думал просто: мы берем клетки, кладем их в правильное место, выращиваем и получаем мениск», — говорит Липсон. — «Но сделать мениск сложнее, чем просто выложить клетки. Настоящие мениски бьются каждый день, постоянно, двигаются и становятся жесткими. Тот факт, что они стукаются, очень важен в формировании мениска».
Принтер, который может задействовать нужные чернила, это только первый шаг. У клеток есть специфические требования в зависимости от того, какой тканью им предстоит стать. В случае мениска, возможно, придется создавать биореактор, который будет простукивать мениск или же использовать нагревание, свет или импульсы для того, чтобы ткани формировались в условиях стресса.
«В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?».
* * *
Большинство органов — сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Одна только печень выполняет более 500 функций. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях.
Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Леса, сделанные из биоразлагаемых полимеров или коллагена, обеспечивали временную матрицу для клеток, которые могли цепляться за них до тех пор, пока не стали бы достаточно прочными, чтобы держаться самостоятельно. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами.
Вскоре, при помощи 3D-принтеров, леса стали строиться более качественно. Но ручное размещение клеток на них осталось трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать.
«При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», — говорит Ю. — «Руки — плохой способ доставки клеток».
Печать почек
В Wake Forest группы Ю и Атала построили биопринтеры, которые работают быстрее, чем модифицированные печатные принтеры, и могут работать с большим количеством типов клеток, в том числе со стволовыми, мускульными и сосудистыми. Они также разработали один принтер, который одним махом может создавать сложные леса; сегодня он используется для создания сложных ушей, носов и костей.
Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Типы клеток по-разному реагируют на материал лесов, и чем сложнее орган, тем сложнее будет его рамка — и тем сложнее предсказать, как будут мигрировать клетки вокруг него. В результате, не все ученые считают, что леса необходимы, в том числе Габор Форгакс, соучредитель Organovo и биолог в Миссурийском университете.
План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. «Магия», — говорит он, — «начинается после того, как закончится печать». В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думают, что конечный продукт — свеженапечатанный клеточный материал — еще не готов.
Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собирая клеточные совокупности — крошечные сферы с тысячами клеток — в круг, сотрудники лаборатории наблюдают за тем, как они сливаются и формируют новую структуру. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Каскад биологических связей растет, и клетки сливаются в крупную структуру.
Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Технология трансформировала исследования. «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», — говорит он. Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека.
Форгакс говорит, что инженерам не стоит размещать клетки там, где они должны быть в готовых органах. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции».
Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», — говорит Форгакс. — «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. Полумиллиметровая совокупность — это уже маленький кусочек ткани. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией».
С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Ученые Organovo уже сделали это с клетками сердца; и когда они сплавились, они бились в унисон, как сердце. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут.
Ученые Organovo сделали относительно надежную сосудистую систему путем печати наполнителя, вроде гидрогеля, между клетками ткани. Наполнитель позже извлекается, оставляя пустые каналы для клеток крови. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры.
«Основная задача — это создать очень маленькие капилляры», — волосовидные кровеносные сосуды, связывающие крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что этот вопрос разрешится в течение ближайших двух лет. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени.
* * *
Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. В нескольких шагах от «Далласа» размером с полхолодильника находятся биопринтеры «Руби» и «Зорг», украшенные фотографиями Криса Такера и Гэри Олдмана, соответственно.
В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. Однако важной вехой стала разработка подходящих инструментов, с помощью которых можно визуализировать и смоделировать весь процесс.
Напечатанные образцы кожи
Чего не хватает биопринтерам — и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере — сложное биологическое программное обеспечение. В случае с неодушевленным объектом — кофейной чашкой — 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. Но в медицине нет аналога этого сканера.
«МРТ не покажет вам, где находятся клетки», — говорит Липсон. — «Мы буквально бредем в темноте по чертежам. Это полбеды. Нет никакого «фотошопа» для перемещения клеток. И это не совпадение. Для этого нужно программное обеспечение. Вы не можете сделать программную модель печени. Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета».
Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. «Область, которую мы исследуем, необязательно будет иметь под собой экономическую базу, но она может появиться в ближайшие годы», — говорит Карлос Ольгвин, глава Bio/Nano/Programmable Matter Group Autodesk.
В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную CAD-оболочку, чтобы поспособствовать процессу конструирования. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. В конечном счете, исследователи хотят быть в состоянии проектировать клеточные совокупности на цифровом уровне, нажимая Enter, и спустя секунды видеть, что нужно изменить, а что останется в конце.
«В очень короткие сроки мы собираемся значительно сократить время, которое в среднем уходит на процесс биопечати. Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи».
Строительные блоки
Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. До сих пор нет никаких надежных способов оценить то, как препарат влияет на печень человека, пока он не будет принят — и испытания на животных особо не помогут.
«Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», — говорит Преснелл. — «Вы можете получить прекрасный ответ от крысы. А в реальности людям будет не очень хорошо».
Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. Исследования показали, что мыши помогли выяснить, как хорошо препарат для лечения гепатита C будет усваиваться людьми. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Проблема в том, что такие структуры созданы из нескольких толстых слоев клеток, что ограничивает сложность вопросов, на которые могут ответить ученые.
В следующем году Organovo начнет продажу образцов печени — пластинок наподобие чашки Петри, содержащих клетки печени, организованные в трехмерные структуры от 200 до 500 микрон толщиной (в 2-5 раз толще человеческого волоса). Потенциал рынка огромен. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени.
«Обычно люди делают так: очищают химикаты, принимают препарат, добавляют его к клеткам, смотрят на реакцию, анализируют, возможно, дают животным, а потом уже людям», — говорит Ли Кронин, химик из университета Глазго. — «Вместо того, чтобы делать образцы из пластика, мы распечатаем живой кусочек печени и посмотрим за реакцией в реальном времени. Вот это будет интересно».
Напечатанные кости
Если биопечатные образцы будут помогать фармацевтам получать лучшие данные, ускорится вся лекарственная промышленность. Более того, уменьшится потребность в испытаниях на животных.
Целью Озболата в университете Айовы является печать ткани поджелудочной железы для лечения. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа.
Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.
Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. Изменить жизнь самым коренным образом. В настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. И очередь постоянно растет. И дело не в том, что нет спроса. Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально.
Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов — частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Ранее ученые уже создали ухо, включающее наночастицы серебра, образующие спиральную антенну. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела — от кардиостимулятора до счетчика пульса.
Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Машина просто стала еще одним инструментом, который помогает человеку. Принтер может внести посильную лепту. Может поставить куски человека на место. Но, как отмечал Форгакс, никто не знает, почему эти куски делают то, что делают. Только жизнь знает. Пока что.