XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В настоящее время весьма актуальным является вопрос о возможности создания искусственных органов человека, которые будут полностью идентичны настоящим. Причем если практика использования донорских органов человека и животных применяется в трансплантологии достаточно давно и уже полностью отработана и активно применяется на практике, то возможность научиться создавать новые органы с помощью стволовых клеток пациента – новая отрасль медицины, которая находится на стыке ее с инженерией и компьютерными технологиями.

В первую очередь, речь идет о биопечати – конструировании объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой клетки продолжают выполнять свои функции и сохраняют жизнеспособность. Эта технология получила активное развитие в последние несколько лет.

Актуальность этой темы в настоящее время объясняется тем, что научное сообщество озадачено проблемой недостатка органов для пересадки неждающимся в этом пациентам.

Исследователи полагают, что работы по развитию технологии биопечати могут дать целый ряд положительных результатов, таких как возможность создания любых полноценных искусственных рабочих органов человека из его стволовых клеток, которые не будут уступать его собственным органам. Это полностью изменит подход к трансплантологии. Кроме того полностью исчезнет потребность в использовании донорских органов[3].

Для того, чтобы говорить о возможности создания таких сложных органов, как почки, печень и сердце, необходимо разобраться в механизме биопечати, изучить ее возможности и определить, какую роль в этом процессе могут играть современные информационно-коммуникационные технологии.

Ученые называют основные проблемы использования биопечати:

поиск новых биоматериалов, которые можно будет использовать в производстве органов для трасплантации;

необходимость развития устройств для биопечати - 3D биопринтеров - устройств с программным управлением, которые используются для создания биологических структур, идентичных человеческим тканям, при помощи клеток и межклеточного вещества;

несовершенство существующих методов биопечати;

необходимость длительного срока клинических испытаний [3].

Задачи, которые возможно решить с помощью биопечати:

возможность создавать полноценные искусственные органы, не уступающие органам человека;

отказ от донорских органов;

снижение популярности рынка торговли органами;

изменение внешности без хирургического вмешательства;

возможность печатать высокомолекулярные химические соединения, например макромолекулы ДНК [3].

Однако, исследователи отмечают, что уже сегодня технологии биопечати достигли значительного прогресса.

Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D-принтере состоялся в 2006 году. Группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) разработала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри. Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере с помощью экструдера нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела. Через 6-8 недель в ходе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган [5].

Другим крупным успехом стало то, что российским инженерам из компании «3D Bioprinting Solutions» удалось провести   успешный эксперимент на МКС, где в условиях невесомости были напечтаны конструкт щитовидной железы и человеческий хрящ [3].

На сегодняшний день существует три основных принципа современной технологии «3D биопринтинг»:

1. Каркасная. Наращивание живых клеток на неорганическую основу, исчезающую с развитием естестественных связей между клетками. Главная сложность — подобрать материал, который настолько же эластичный или жёсткий, как заменяемый орган. Он должен быстро деградировать, чтобы не мешать укреплению межклеточного матрикса и раствориться, не оставив токсичных соединений. Для каркасной печати подходит гидрогель, титан, желатин, синтетические и биополимеры.

2. Бескаркасная. Нанесение готовыми клетками на гидрогелевую основу. Пока клетки в принтере, они охлаждены и находятся в тонких гидрогелевых сфероидах. При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас — клеточный матрикс. Эта печать менее распространена, чем каркасная — появилась позже и сложнее воспроизводима.

3. Мимикрия. Технология будущего, предполагает создание полных копий органов сразу. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне и проводятся глубокие исследования природы клеток [3].

На основании вышеизложенного можно сделать выводы о том, что:

3D биопечать прошла путь от концепции до работающей и коммерчески успешной технологии. Пока основные клиенты биопринтинговых компаний — крупные фармацевтические корпорации. Они ускоряют тестирование лекарств, сразу испытывая их на распечатанных тканях человека.

Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.

Медицина будущего минимизирует механическое вмешательство в организм. Скальпель останется в прошлом — рой нанороботов будет печатать органы сразу внутри организма.

Список литературы:

1. Громов, Ю.Ю. Информационные технологии: учебник/ Ю.Ю. Громов, И.В. Дидрих, О.Г. Иванова,  и др.; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет». - Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. – С.5-10. : ил., табл., схем. - Библиогр. в кн. - ISBN 978-5-8265-1428-3; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=444641 (23.12.2019).

2. Кравченко, Ю.А. Тенденции развития компьютерных технологий: учебное пособие / Ю.А. Кравченко, Э.В. Кулиев, Д.В. Заруба; Министерство образования и науки РФ, Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая академия. - Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2017. - 107 с. : схем., ил. - Библиогр. в кн. - ISBN 978-5-9275-2360-3; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=493214 (23.12.2019).  

3. Российский 3D-биопринтер напечатал в космосе 12 органов [Электронный ресурс]. – URL: https://hi-news.ru/space/rossijskij-3d-bioprinter-napechatal-v-kosmose-12-organov.html

4. 3D-печать органов: революция в медицине? [Электронный ресурс]. – URL: https://hi-news.ru/science/chtivo-3d-pechat-organov-revolyuciya-v-medicine.html

5. Официальный сайт WFIRM [Электронный ресурс]. – URL: https://school.wakehealth.edu/Research/Institutes-and-Centers/Wake-Forest-Institute-for-Regenerative-Medicine

Код для цитирования: Скопировать