Новостивысоких технологий

Я вeрю, чтo этo случится нa мoeм вeку», — гoвoрит Прeснeлл. «Пoскoльку я нe тaк близoк к биoлoгии, я думaл прoстo: мы бeрeм клeтки, клaдeм иx в прaвильнoe мeстo, вырaщивaeм и пoлучaeм мeниск», — гoвoрит Липсoн. Oднaкo вaжнoй вexoй стaлa рaзрaбoткa пoдxoдящиx инструмeнтoв, с пoмoщью кoтoрыx мoжнo визуaлизирoвaть и смoдeлирoвaть вeсь прoцeсс. Нo, кaк oтмeчaл Фoргaкс, никтo нe знaeт, пoчeму эти куски дeлaют тo, чтo дeлaют. — «Кoгдa вы пoлучaeтe лучшиe инструмeнты, вы нaчинaeтe думaть инaчe. «Eсли у вaс eсть циркуль и прямoугoльник, всe чтo вы мoжeтe нaрисoвaть — квaдрaт или круг», — гoвoрит Кaмeн. Прoблeмa в тoм, чтo тaкиe структуры сoздaны из нeскoлькиx тoлстыx слoeв клeтoк, чтo oгрaничивaeт слoжнoсть вoпрoсoв, нa кoтoрыe мoгут oтвeтить учeныe. Oн прeдпoлaгaeт, чтo этoт вoпрoс рaзрeшится в тeчeниe ближaйшиx двуx лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции». Они напечатали костные трансплантаты из керамики, зубные коронки из фарфора, слуховые аппараты из акрила и протезы из полимера. «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», — говорит он. Тот факт, что они стукаются, очень важен в формировании мениска». Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать. Липсон и его коллеги решили напечатать мениск, C-форменный кусочек хряща, который соединяет колено и другие суставы. У клеток есть специфические требования в зависимости от того, какой тканью им предстоит стать. После этого они перешли к более крупным клеткам млекопитающих. Технология трансформировала исследования. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», — говорит Форгакс. Инвестиции увеличились. На бумаге четко отпечатались буквы TB. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. Крошечные шедевры биомедицинской инженерии почти идентичны образцам ткани реальной человеческой печени и состоят из реальных человеческих клеток. Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. А в реальности людям будет не очень хорошо». Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета». План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут. Но вместо того, чтобы выращивать их, ученые в блестящей огромной штаб-квартире Organovo печатают их, словно документ. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией». «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 настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа. Принтер, который может задействовать нужные чернила, это только первый шаг. Но в медицине нет аналога этого сканера. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. — «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. В то время как Боланд в лаборатории трудился над проблемами биопечати, другие инженеры пытались применить 3D-принтеры в других медицинских отраслях. «МРТ не покажет вам, где находятся клетки», — говорит Липсон. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. 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). Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Вы не можете сделать программную модель печени. Они отключили механизмы подачи бумаги и добавили пошаговые элеваторные платформы. И очередь постоянно растет. Печатали один слой, опускали платформу и печатали другой слой. — «Каждая рана отличается глубиной и они все разные. В 2000 году биоинженер Томас Боланд, самопровозглашенный «дедушка биопечати», положил глаз на старый принтер Lexmark в своей лаборатории в университете Клемсона. Устройство размером с кофейную машину живет своей жизнью. Никто не будет пить латте в ближайшее время. Это полбеды. Может поставить куски человека на место. Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. «Нажать на кнопку и получить целый орган из коробки. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. * * *
Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. — «Но сделать мениск сложнее, чем просто выложить клетки. * * *
Самые первые биопринтеры не были дорогими или плохими. «Пространственный контроль размещения клеток никогда не был возможен в такой степени», — говорит он. Очень быстро биоинженеры перешли от рисования на плоском холсте к построению скульптур. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. «При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», — говорит Ю. Большинство людей думают, что конечный продукт — свеженапечатанный клеточный материал — еще не готов. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях. Вот это будет интересно». В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собранная из «сот» ткань печени прошла длинный путь и еще более длинный путь ей предстоит, но значительный шаг в этом направлении уже сделан. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры. «Это было похоже на волшебство», — рассказал Джеймс Ю, исследователь института регенеративной медицины Wake Forest, разрабатывающий портативный принтер для создания печатной кожи пострадавшим от ожогов. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально. Изменить жизнь самым коренным образом. Полумиллиметровая совокупность — это уже маленький кусочек ткани. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Напечатанные образцы кожи
Чего не хватает биопринтерам — и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере — сложное биологическое программное обеспечение. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?». В случае с неодушевленным объектом — кофейной чашкой — 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. 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. 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. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. «В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. «Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», — говорит Преснелл. Вскоре в каждом сосуде образуется три маленьких шестиугольника. Нанеся области на карту, вы можете определить, сколько слоев клеток необходимо для подкожной ткани, равно как и для эпителия. Принтер может внести посильную лепту. Потом приклеил тонкий черный слой силикона на чистую бумагу и подал в принтер. Только жизнь знает. Ученые уже модифицировали струйные принтеры для печати фрагментов ДНК в рамках изучения генома. 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. Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. — «Руки — плохой способ доставки клеток». Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи». Ученые могут печатать, используя разные типы «чернил». Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени. — «Это открывает новые возможности». У этих инженеров было преимущество, которого не было у Боланда: они печатали в трех измерениях, а не в двух. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Потенциал рынка огромен. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. 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. Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. 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. 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. Строительные блоки
Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов — частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. Они напоминали дешевые настольные принтеры, потому что, по сути, они таковыми и были. * * *
Большинство органов — сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. Боланд опустошил картридж Lexmark и наполнил его коллагеном. Печать кровяных сосудов
С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. Штаб-квартира Organovo в Сан-Диего
В 2000 году Боланд и его команда перенастроили Hewlett-Packard DeskJet 550C для печати бактериями кишечной палочки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени. Платформа могла двигаться вниз и вверх по оси Z. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела — от кардиостимулятора до счетчика пульса. «Магия», — говорит он, — «начинается после того, как закончится печать». Одна только печень выполняет более 500 функций. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Обсуждение закрыто.