3D-биопечать: что это и как ее делают на живом человеке - Nikkuro

Первая в мире операция по 3D-биопечати на живом человеке состоялась в России в конце 2023 года. Ее провели специалисты Главного военного клинического госпиталя имени Бурденко, инженеры университета МИСИС и их коллеги из компании 3D BiOprinting Solutions. «Цифровой океан» расспросил участника процедуры, как это было

Начнем с главного: операция прошла успешно, и человек, получивший первую в мире «3D-заплатку» из собственных клеток, уже поправился. Пациенту требовалось лечение глубокого поражения мягких тканей, то есть открытой раны. Обычно в таких случаях берут фрагмент кожи с другой части тела и пересаживают на поврежденный участок. Это не лучший вариант с точки зрения общей травматизации, но альтернатив ему нет. Точнее, не было до сих пор. Пациент не поделился с «Цифровым океаном» своими впечатлениями — раскрывать его личные данные запрещено по соображениям конфиденциальности. О ходе процедуры рассказал Александр Левин, разработчик программно-аппаратного комплекса биопечати, созданного НИТУ МИСИС и компанией 3D Bioprinting Solutions. Александр присутствовал на операции и непосредственно в ней участвовал.

План операции

После предоперационной подготовки у пациента взяли несколько миллилитров костного мозга. Из него выделили биологический материал с высоким содержанием мультипотентных стволовых клеток. Термин «мультипотентные» означает, что из них могут развиться клетки разных тканей и органов, например кожи, мышц или крови. Стволовые клетки ввели в гидрогель — получился состав для печати, который можно условно назвать биочернилами.

Пока готовились биочернила, робототехники провели 3D-сканирование области печати, то есть раны. Получилась трехмерная модель, на основе которой компьютер рассчитал траекторию движения печатающей головки. После нескольких тестов и необходимых корректировок все было готово: в головку установили шприц с биочернилами и запустили процесс печати, который длился меньше двух минут. Затем на получившуюся заплатку нанесли специальную повязку, и пациент покинул операционную.

Не обошлось и без трудностей. Например, оказалось, что во время операции робот не может печатать под заранее запланированным углом — ему мешают медицинские аппараты, закрепленные на теле пациента. Но программное обеспечение позволяет корректировать траекторию печати «на лету», так что заминку оперативно исправили

Хирургический набор

В лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС, где Александр Левин рассказывает о прошедшей операции, стоят как минимум пять биопринтеров: два робота-манипулятора с разными печатающими головками, огромный бокс картезианского* 3D-биопринтера Fabion, образцы компактных биопринтеров для печати на МКС в условиях микрогравитации, а еще небольшой биопринтер для печати съедобных продуктов в ресторане. И это лишь малая часть огромного разнообразия технологий биопечати.

* Картезианскими называют 3D-принтеры, в которых электроприводы перемещают печатающую головку вдоль декартовых координат (от латинизированного имени Рене Декарта — Cartesius). К этому виду относится большинство недорогих бытовых 3D-принтеров.

Принципиально все они сводятся к одной задаче: расположить на плоскости (2D-биопечать) или в пространстве (3D-биопечать) заранее подготовленный биологический материал. Как правило, речь идет о культуре клеток, которая должна определенным образом прорасти: в ткань, органоид (простой функциональный аналог того или иного органа) или полноценный орган. Последнее пока недостижимо: даже если удастся напечатать сложную пространственную структуру десятками разных клеточных структур, нужно будет еще сделать так, чтобы в ней проросли сосуды и нервы — без этого живой орган не заработает.

Зато отдельные ткани и органоиды реально печатать уже сейчас. Ткани можно использовать в качестве готового трансплантата — «заплатки», способной закрыть раневую полость. По сути, это аналог рубцовой ткани, который со временем замещается кожей реципиента.

В свою очередь органоиды позволяют проводить тестирование лекарств и медико-биологические опыты без необходимости работать с подопытными животными. Это не только гуманнее, но и значительно дешевле.

Технологии, созданные специалистами 3D Bioprinting Solutions и НИТУ МИСИС, подходят для обеих задач. Картезианский 3D-принтер Fabion может создавать «заплатки» для пересадки тканей и органоиды. Но для печати непосредственно на пациенте больше подходят роботы-манипуляторы: если мышь или минипига хоть как-то можно разместить внутри принтера, то с человеком проделать такое точно не удастся. Нужно больше рабочего пространства и свободы движений. Причем разработанный Александром Левиным робот решает еще одну важную проблему.

Биопринтер, который использовался для операции на живом пациенте, имеет комбинированную печатающую головку — это ноу-хау российских разработчиков. Дело в том, что перед биопечатью компьютер должен рассчитать траекторию движения шприца, а для этого раневую поверхность нужно отсканировать. Если сканировать обычным ручным или стационарным сканером, то получившуюся картинку придется как-то сопоставлять с системой координат манипулятора — по масштабу, ориентации, точке отсчета. Это не всегда простая операция, и в нее может закрасться ошибка.

Комбинированная печатающая головка имеет встроенный сканер. И сканирование, и печать производятся в одной системе координат, с помощью одного и того же манипулятора. Головка представляет собой кожух, в котором установлены кронштейн для шприца с биочернилами, стереопара камер и лазер, который приводится в движение сервомотором.

Оперативная работа

Созданием биопринтеров занимаются сотни компаний по всему миру. Тем не менее, первую операцию на живом человеке провели именно в России. Возможно, успех стал результатом нестандартного подхода. Чаще всего биопечать требуется биологам: ученые ищут способы управлять ростом клеточных культур, чтобы выращивать качественные ткани и органоиды. При этом робототехникам они заказывают сравнительно универсальные решения, нацеленные на ускорение лабораторных экспериментов.

В Университете науки и технологий МИСИС биопечатью занимается команда ученых, сфокусированных на решении практических задач. И одна из них — печать вне лаборатории. В операционной инженеры чувствуют себя увереннее биологов: они имеют возможность оперативно вносить изменения в программное обеспечение и настройки принтера или робота. Гибкость и скорость приобретают решающее значение, когда на кону человеческая жизнь.