Списъкът на чакащите трансплантация в Европа наброява близо 150 хил. души и за съжаление много от нуждаещите се в него няма да успеят да дочакат своя ред. Напредъкът на медицинските технологии в сферата на биопринтирането обаче дава надежда, че недостигът на органи за трансплантация в обозримо бъдеще би могъл да се превърне само в лош спомен.

Или поне това е целта на този нов клон на биоинженерството, който все по-малко прилича на научна фантастика и все повече се превръща в реалност. Ако всичко се движи по план, съвсем скоро медицинските техници, занимаващи се с 3D принтирането на органи, ще могат да отглеждат в достатъчно големи количества живи клетки и триизмерни копия на човешките органи, като бъбреци, черен дроб, а дори и сърце.

Днешните биопринтери вече могат да принтират парчета функционална човешка тъкан. Само по себе си забележимо постижение, от което понастоящем най-активно се възползват лабораториите за тестване на медикаменти. Принтирането на тъкани обаче все още не е достатъчно усъвършенствано за създаването на вътрешни органи, тъй като комплексните системи, като тези на бъбреците, черния дроб и сърцето притежават невероятно сложна структура. Всеки един от тях се състои от много и различни видове клетки, както и други биологични компоненти, които им придават форма и позволяват правилното им функционирането.

А за да могат принтираните 3D органи да функционират, те трябва да наподобяват техните природни оригинали. Така например бъбреците трябва да могат да обработват и отделят отпадъци под формата на урина, белият дроб да насища кръвта с кислород, а черният дроб да обработва токсините.

Традиционното 3D принтиране първоначално бива разработено за целите на бързото и качествено производство на индустриални части, прилагайки метода на стереолитографията. Това на практика означава наслагването на множество слоеве химически активни молекули, които под въздействието на светлина имат способността да изграждат здрави и устойчиви връзки помежду си. Използването на живи клетки вместо традиционните (небиологични) градивни елементи дава живот на един изцяло нов клон на биоинженерството  – 3D биопринтирането.

Процесът се състои от три основни стъпки. Първата е предварителната подготовка, в която истински органи се заснемат с помощта на познати уреди като компютърната томография и магнитно-резонанса томография, което позволява генерирането на точни модели. Втората е същинският процес на биопринтиране, където се приготвя биомастилото, състоящо се от клетки, клетъчни матрици и хранителни вещества. Те се поставят инкубатор, където тази прототъкан се превръща в тъкан. Третата стъпка (и най-несъвършената досега) е създаването на устойчиви структури от вече наличния биологичен материал.

Биопринтирането изисква стерилни условия, за да се избегне заразяването на клетките, както и подходяща температура и влажност, в която клетките да имат идеална среда за развитие. Това изключва употребата на класическите синтетични материали, тъй като работата с тях изисква много високи температури и токсични разтворители. Технологията за изработка на тъканите използва фотореактивни течности, които могат да бъдат втвърдени чрез използване на светлина, така че да образуват специфични модели и форми.

Всеки тип клетки, изграждащи специфичните тъкани от човешкото тяло, изискват специфична среда, както и уникална биоструктура, която да поддържа нормалното им функциониране. Така например костите са устойчив, но чуплив материал, мускулите пък са по-еластични и жилави, други вътрешни органи като черния дроб са меки и пластични.

За сега биоинженерите имат най-голям успех с принтирането на кости, мускули и меки тъкани и хрущяли като уши (Повече за това тук). В България вече съществува компания, занимаваща се биопринтиране - „Принтиво“. Нейният изследователско-инженерен екип успя да създаде принтера „Ева“ и биомастилото „Адам“, благодарение на които засега успешно успява да създава изкуствени кости и меки тъкани.

Една от най-големите пречки пред създаването на функционални вътрешни органи е трудността при пресъздаването на сложното им кръвоснабдяване, благодарение на което си осигуряват хранителни вещества. Това е много важно, тъй като органите ни притежават независима кръвоносна система, която е преплетена с други вътрешноорганови системи. Пример за това са въздуховодите, алвеолите и кръвните съдове на белия дроб или пък жлъчните пътища и кръвоносните съдове на черния дроб. Тези взаимопроникващи се мрежи са физически и химически преплетени и самата им архитектура е ключова за функционирането на органите.

В средата на миналата година (2019) обаче беше демонстриран огромен пробив в тази посока от страна на една от водещите компании в областта - Prellis Biologics. Те постигнаха ключов напредък в създаването на т.нар. васкуларен шунт (vascular shunt) - изключително прецизен, миниатюрен проход, позволяващ движението на течности (включително и кръв) през него. Шунтът е направен от клетките на конкретен пациент, като целта е била да се осигури подобряване на функционирането на бъбреците му.

Малко по-рано същата година пък двама биоинженери показаха модел на алвеола (ключов елемент от белия дроб), много точно наподобяващ функционирането истински алвеоли на човешки бял дроб. Този модел може да снабдява с кислород заобикалящите го кръвни клетки - създавайки кръвоносна система, имитираща истинските кръвни потоци на тялото.

Но може би най-добрата новина през последната година е успехът на израелските учени, които успяха да принтират миниатюрно копие на човешко сърце. За съжаление то не е напълно функционално, но при подаването на електрически импулс започва да се съкращава.

Едно от огромните преимущества на такива органи биха били стопроцентова съвместимост с нуждаещите се пациенти. В момента пациентите, нуждаещи се от трансплантация, трябва да чакат органи от живи или починали донори, които заедно с това да са биологично съвместими. Дори при перфектна съвместимост с донора пациентите трябва да приемат мощни имунопотискащи лекарства, много често дори до края на живота си. Което освен като огромно неудобство за пациентите струва изключително скъпо за здравната система. Биопринтирането може да разреши и този проблем, създавайки нужните органи, използвайки клетки от самите пациенти.

Четете още по темата с биопринтирането: тук 

Още интересни приложения на 3D принтирането: тук