How to 3D print human tissue - Taneka Jones

Переводчик: Ростислав Голод Редактор: Anna Pecot

There are currently hundreds of thousands of people on transplant lists,

В настоящее время сотни тысяч людей находятся в очереди на трансплантацию

waiting for critical organs like kidneys, hearts, and livers

таких важных органов, как почки, сердце и печень,

that could save their lives.

которые могли бы спасти немало человеческих жизней.

Unfortunately,

К сожалению, помочь всем нуждающимся

there aren’t nearly enough donor organs available to fill that demand.

не представляется возможным — донорских органов постоянно не хватает.

What if instead of waiting,

А что, если вместо того, чтобы ждать,

we could create brand-new, customized organs from scratch?

мы создали бы абсолютно новые, индивидуальные органы «с нуля»?

That’s the idea behind bioprinting,

Эта идея легла в основу технологии биопринтинга —

a branch of regenerative medicine currently under development.

активно развивающегося направления регенеративной медицины.

We’re not able to print complex organs just yet,

И пусть мы пока не готовы начать воспроизводить сложные органы,

but simpler tissues including blood vessels and tubes

мы научились печатать простые ткани,

например, кровеносные сосуды и канальцы,

responsible for nutrient and waste exchange

отвечающие за обмен веществ и продуктов жизнедеятельности.

are already in our grasp.

Bioprinting is a biological cousin of 3-D printing,

Биопринтинг является «биологическим» родственником 3D-печати —

a technique that deposits layers of material on top of each other

технологии получения трёхмерных объектов

to construct a three-dimensional object one slice at a time.

методом послойного наращивания материалов.

Instead of starting with metal, plastic, or ceramic,

Но вместо привычных металлов, пластмассы или керамики

a 3-D printer for organs and tissues uses bioink:

3D-биопринтер органов и тканей использует «биочернила» —

a printable material that contains living cells.

биоматериалы, в состав которых входят живые клетки.

The bulk of many bioinks are water-rich molecules called hydrogels.

Основу большинства биочернил составляют богатые водой молекулы — гидрогели.

Mixed into those are millions of living cells

Они смешиваются с миллионами живых клеток,

as well as various chemicals that encourage cells to communicate and grow.

а также с различными химическими веществами,

способствующими взаимодействию и росту клеток.

Some bioinks include a single type of cell,

В некоторых биочернилах содержатся клетки только одного типа,

while others combine several different kinds to produce more complex structures.

в других — сочетание нескольких типов, что позволяет получать более сложный материал.

Let’s say you want to print a meniscus,

Предположим, вы хотите распечатать мениск —

which is a piece of cartilage in the knee

хрящевую прокладку в коленном суставе,

that keeps the shinbone and thighbone from grinding against each other.

предотвращающую трение большеберцовой и бедренной костей.

It’s made up of cells called chondrocytes,

Мениск состоит из хрящевых клеток хондроцитов,

and you’ll need a healthy supply of them for your bioink.

и чтобы изготовить биочернила, таких клеток потребуется немало.

These cells can come from donors whose cell lines are replicated in a lab.

Данные клетки можно получить от доноров и затем размножить в лаборатории.

Or they might originate from a patient’s own tissue

Или их можно взять из собственной ткани пациента

и тем самым свести к минимуму вероятность отторжения изготовленного мениска.

to create a personalized meniscus less likely to be rejected by their body.

There are several printing techniques,

Существует несколько методов 3D-печати,

and the most popular is extrusion-based bioprinting.

наиболее популярный из них — микроэкструзионная печать.

In this, bioink gets loaded into a printing chamber

При этом методе биочернила загружают в ёмкость принтера,

and pushed through a round nozzle attached to a printhead.

а затем пропускают через круглое сопло экструдера, или печатающей головки.

It emerges from a nozzle that’s rarely wider than 400 microns in diameter,

На выходе из сопла экструдера,

диаметр которого составляет не более 400 микрон,

and can produce a continuous filament

получается непрерывная нить — филамент —

roughly the thickness of a human fingernail.

толщиной с человеческий ноготь.

A computerized image or file guides the placement of the strands,

Компьютерное изображение или файл определяют порядок нанесения нитей

either onto a flat surface or into a liquid bath

на плоскую поверхность или в жидкую среду,

that’ll help hold the structure in place until it stabilizes.

где напечатанный материал будет оставаться, пока не стабилизируется.

These printers are fast, producing the meniscus in about half an hour,

Такой принтер работает довольно быстро и, нанося слой за слоем,

one thin strand at a time.

печатает мениск примерно за полчаса.

After printing, some bioinks will stiffen immediately;

После печати некоторые биочернила застывают почти мгновенно,

others need UV light or an additional chemical or physical process

а другим для стабилизации необходимы

ультрафиолет, дополнительные химические реакции или физическое воздействие.

to stabilize the structure.

If the printing process is successful,

Если процесс печати пройдёт успешно,

the cells in the synthetic tissue

клетки синтезированной ткани

will begin to behave the same way cells do in real tissue:

начнут вести себя точно так же, как и клетки биологической ткани:

signaling to each other, exchanging nutrients, and multiplying.

взаимодействовать, обмениваться питательными веществами и размножаться.

We can already print relatively simple structures like this meniscus.

Мы уже научились печатать

такие относительно простые клеточные структуры, как мениск;

Bioprinted bladders have also been successfully implanted,

у нас есть успешный опыт имплантации биопечатного мочевого пузыря;

and printed tissue has promoted facial nerve regeneration in rats.

а в результате пересадки искусственных тканей

у крыс наблюдалась регенерация лицевых нервов.

Researchers have created lung tissue, skin, and cartilage,

Учёным также удалось напечатать ткани лёгких, кожи, хрящей,

as well as miniature, semi-functional versions of kidneys, livers, and hearts.

и малоразмерные и полуфункциональные модели почек, печени и сердца.

However, replicating the complex biochemical environment

Однако воссоздание сложной биохимической среды

главных органов человека является колоссально трудной задачей.

of a major organ is a steep challenge.

Extrusion-based bioprinting may destroy

В процессе микроэкструзионной печати

a significant percentage of cells in the ink if the nozzle is too small,

может погибнуть огромное количество клеток биочернил,

если отверстие сопла будет слишком мало́ или давление печати слишком велико.

or if the printing pressure is too high.

One of the most formidable challenges

Одной из самых трудновыполнимых задач, стоящих перед учёными, является

is how to supply oxygen and nutrients to all the cells in a full-size organ.

обеспечение клеток полноразмерного органа кислородом и питательными веществами.

That’s why the greatest successes so far

Поэтому наибольшие успехи на сегодняшний день были достигнуты

have been with structures that are flat or hollow—

в биопечати плоских и полых клеточных структур,

and why researchers are busy developing ways

и именно поэтому неимоверные усилия направляются на то,

to incorporate blood vessels into bioprinted tissue.

чтобы научиться встраивать кровеносные сосуды в биопечатные ткани.

There’s tremendous potential to use bioprinting

Биопринтинг обладает огромным потенциалом спасать жизни,

to save lives and advance our understanding

а также способствует лучшему пониманию того,

of how our organs function in the first place.

как же на самом деле работают наши внутренние органы.

And the technology opens up a dizzying array of possibilities,

Бесконечный ряд возможностей открывает и сама технология,

such as printing tissues with embedded electronics.

включая биопечать тканей со встроенной электроникой.

Could we one day engineer organs that exceed current human capability,

Сумеем ли мы когда-нибудь превзойти возможности нашего организма

or give ourselves features like unburnable skin?

или подарить ему новые свойства, наподобие несгораемой кожи?

How long might we extend human life by printing and replacing our organs?

Сможет ли трансплантация биопечатных органов продлить жизнь человека?

And exactly who—and what—

И кому именно будет дано право воспользоваться этой технологией

will have access to this technology and its incredible output?

и её невероятными результатами?