Як за допомогою 3D-принтера "вирощують" вуха, шкіру та носи

Люк Масела з батьками Копирайт изображения Masela family archive
Image caption Люк Масела з батьками через місяць після операції з пересадки штучного сечового міхура. 2001 рік.

За допомогою 3D-принтера вчені у США вже навчилися вирощувати вуха, шкіру, носи та прості органи, повідомляє кореспондент Російської служби Бі-бі-сі в США Наталка Пісня.

Все починалося з історії Люка Масела.

Зараз цей 27-річний чоловік - спортсмен з дипломом з економіки, працює у великій виставковій компанії, багато подорожує і недавно зустрів, за його словами, "найгарнішу дівчину у світі".

І вона, і більшість його нинішніх друзів, дуже здивувалися, коли дізналися, що 17 років тому він пережив півтора десятка операцій.

Люк народився з розщепленням хребта. Хоча він зміг почати ходити, його сечовий міхур був сильно пошкоджений.

До 10 років він майже не виходив з лікарень: через неправильну роботу сечового міхура в нирки хлопчика стала повертатися рідина, лікарі діагностували незворотну патологію органу.

Лікарі запропонували родині два рішення: довічний діаліз або створення нового сечового міхура з сегмента кишки. Це гарантувало б Люку кілька років життя під медичним наглядом і високий ризик розвитку раку.

Уролог, який лікував хлопчика, запропонував родині Масела взяти участь в експериментальній програмі: виростити новий сечовий міхур з його ж власних клітин.

Тоді, у 2001 році, це звучало як наукова фантастика: в самій програмі до Люка взяли участь всього дев'ять людей. Попри це, його родина погодилася.

"Суть операції зводилася до двох етапів: спочатку у мене взяли шматочок тканини сечового міхура і протягом двох наступних місяців в лабораторії вирощували клітини, щоб з них виростити новий здоровий міхур", - розповідає Люк.

Копирайт изображения Masela family archive
Image caption Люк Масела через 17 років після операції з пересадки штучного сечового міхура

Далі була операція з пересадки, яка, за його словами, тривала 16 годин.

"Я відкрив очі та побачив розріз через весь мій живіт, з мене стирчали трубки всіх можливих розмірів, окрім них були чотири крапельниці та апарат штучного годування, - згадує він. - Я залишався в лікарні ще місяць, мені прописали постільний режим, після цього я ще місяць лежав удома ".

Операцію робив доктор Ентоні Атала - дитячий регенеративний хірург.

За два місяці зі ста клітин пацієнта вчені створили півтора мільярда.

Далі на каркасі з колагену була створена інженерна конструкція: сечовий міхур "ліпили", як двошаровий пиріг, серцевина якого згодом розчинилася, і він почав працювати, як звичайний орган, прижившись завдяки клітинам самого Люка.

Копирайт изображения AFP/Getty Images
Image caption Доктор Ентоні Атала вирощує вуха і носи, а також прості органи на замовлення Пентагону

Після виписки з лікарні Люк і доктор Атала не бачилися 10 років. Хлопець, який колись стояв на порозі смерті, став чемпіоном шкільної команди з вільної боротьби та вступив до коледжу.

Професор за цей час очолив інститут регенеративної медицини Wake Forest в Північній Кароліні, але про Люка він не забував ні на хвилину: його сечовий міхур був одним з найскладніших і найбільш успішних проектів в його ранній практиці.

До 2018 року пан Атала став лауреатом премії Христофора Колумба - за "роботу над відкриттям, яке зробить істотний вплив на суспільство".

Журнали Times і Scientific American в різний час називали його "лікарем року", його також визнали "одним з 50 вчених планети, які в найближчі 10 років змінять наш спосіб життя і роботи".

Як надрукувати нове обличчя

У середині 2000-х років команда доктора Атали звернула увагу на звичайний побутовий 3D-принтер і створила для нього спеціальне програмне забезпечення.

Пізніше для лабораторії виготовили спеціальні машини. Зараз у лабораторії "вирощують" до 30 різних видів клітин і органів, а також хрящі та кістки.

Одне з останніх досягнень команди - вуха і носи, вирощені поза тілом людини.

Головний замовник і спонсор розробок доктора Атали - американське міністерство оборони, а багато пацієнтів - військові, які постраждали внаслідок бойових дій.

Працює це наступним чином: спочатку робиться комп'ютерна томографія вуха або носа. Один з асистентів пана Атали, Джошуа Корпус, жартує: на цьому етапі люди нерідко просять "поліпшити" форму носа, якщо свій їм здавався занадто широким або гачкуватим, і вух, якщо ті були дуже розлогі.

Після цього створюють спеціальний комп'ютерний код, і починається друк основи органів.

Для цього використовується синтетичний полімер, який самостійно розсмоктується - полікапролактам. Одночасно і гнучкий, і міцний, в тілі людини він розпадається протягом чотирьох років.

Після друку шари полікапролактама нагадують мереживо, їхнє місце після трансплантації вже через кілька років займуть власні хрящові тканини людини.

Потім полікапролактам насичують створеним з клітин пацієнта гелем, охолодженим до -18 градусів Цельсія - таким чином клітини, за словами вчених, не ушкоджуються, вони "живі та щасливі".

Image caption Друк випробувального зразка нирки на біопринтері

Щоб конструкція з полімеру і гелю набула форми і перетворилася у щось більш міцне, в лабораторії використовують ультрафіолет - він не пошкоджує клітини.

Майбутній імплантат друкується чотири-п'ять годин, потім його остаточно формують і вставляють під епідерміс.

Вирощувати можна і шкіру: першими в ранніх випробуваннях доктора Атали брали участь постраждалі від пожеж діти.

Після "друку" шкіри вчені ще кілька років спостерігали за пацієнтами. Нова шкіра не тріскалася, не лопалася і росла разом з дітьми.

Найскладніша робота, за словами вченого, - рани обличчя: мало просто натягнути шкіру, потрібно точно розрахувати геометрію, вивірити припухлості, будову кісток, і зрозуміти, як після цього буде виглядати людина.

Крім шкіри та вух, пан Атала може "надрукувати" кістки щелеп, виростити кровоносні судини та клітини деяких органів - печінки, нирок, легенів.

Image caption Основа для вушного імплантата з полікапролактама, надрукована на біопринтері

Цю технологію особливо цінують онкологи: на основі клітин пацієнтів можна відтворити реакцію організму на різні види хіміотерапії та спостерігати за реакцією на той чи інший тип лікування в лабораторних умовах, а не на живій людині.

А ось печінка, нирки, легені та серце - все ще на стадії випробувань. Доктор Атала каже, що виростив їх в мініатюрі, але створення органів з різних тканин і в справжню величину вимагає безлічі додаткових досліджень.

Натомість, за його словами, в лабораторії виростили клітини та створили вагіну для дівчинки, яка народилася кілька років тому з вродженою деформацією статевих органів - з моменту пересадки пройшло вже кілька років.

Доктор Атала посміхається і додає: над створенням працездатного пеніса його команда теж працює. Ці дослідження тривають вже кілька років, і найбільше клопоту у вчених зі складною структурою тканин і специфічною чутливістю самого органу.

Image caption Випробувальний зразок вушного імплантата під впливом ультрафіолету

Чи замінять надруковані органи донорів?

Складні людські органи - печінку, нирки, серце, легені - поки що не вдалося виростити жодному регенеративному хірургу.

Біодрук так званих простих органів, втім, вже доступний в США, Швеції, Іспанії та Ізраїлі - на рівні клінічних випробувань і спеціальних програм.

Американський уряд активно інвестує в подібні програми - крім Wake Forest, що співпрацює з Пентагоном, на відтворення роботи печінки, серця і легенів значні суми отримує і Массачусетський технологічний інститут.

На думку професора Хорхе Ракели, гастроентеролога в дослідницькому центрі Mayo Clinic, "біодрук - одна з найбільш приголомшливих галузей сучасної медицини, за нею величезний потенціал, і переломний момент найважливіших відкриттів вже близько".

Тим часом Піт Басільєр, керівник відділу з науково-дослідної роботи аналітичної компанії Gartner, наполягає: технології розвиваються набагато швидше, ніж розуміння тих наслідків, до яких може призвести 3D-друк.

Image caption Випробування нанесення штучної шкіри на рану

Подібні розробки, за словами Басільєра, навіть створені з найкращими намірами, народжують набір питань: що трапиться, коли будуть створені "поліпшені" органи, основою яких стануть не тільки людські клітини - чи будуть вони мати "суперможливості"?

Чи буде створено контрольний орган, що стежить за їх виробництвом?

Хто буде перевіряти якість цих органів?

Згідно з доповіддю Національної медичної бібліотеки США, в чергу на пересадку органів щороку стають понад 150 тисяч американців. Донорські органи отримає тільки 18% з них; кожного дня в США, так і не дочекавшись трансплантації, вмирають 25 осіб.

Пересадка органів та подальша реабілітація тільки в 2012 році обійшлися страховим компаніям та пацієнтам в 300 млрд доларів.

При цьому більшість американців - потенційні донори: при отриманні водійських прав вони добровільно відповідають на питання про те, чи згодні поділитися своїми органами в разі автокатастрофи чи іншого небезпечного інциденту. У разі згоди в кутку документа з'являється маленьке "серце" та слово "донор".

Таке "серце" є і на водійському посвідченні професора Атали - попри всі свої досягнення та віру в "органи друку", він готовий поділитися своїми органами.

Ані професор, ані його підлеглі не приховують - "надрукувати" органи для тисяч людей, які потребують пересадки, прямо зараз наука не може.

За його словами, на заміщення донорських органів, вирощеними на масовому ринку, піде кілька десятків років.

Робота пана Атали та інших фахівців у сфері регенеративної медицини залишається швидше випробувальною, ніж масовою, і все ще "заточеною" під кожного окремого пацієнта.

Новини на цю ж тему