3D принтиране на органи: Кога ще е възможно и ще бъдат ли достъпни

Кога лекарите ще могат просто да принтират бъбрек, използвайки клетки от пациента, вместо да се налага да търсят подходящ донор и да се надяват да не бъде отхвърлен трансплантирания орган? Според Дженифър Лиус, професор в Института по биологично инженерство към Харвардския университет, това може да се случи най-рано след десетилетие.

Биопринтирането на органи представлява сглобяване на множество типове клетки, растежни фактори и биоматериали чрез технологии за 3D принтиране, с цел произвеждане на изкуствени органи, които идеално имитират своите естествени двойници. Този тип регенеративна медицина е в етап на развитие и движещата сила зад тази иновация е „реалната човешка нужда“.

Необходимост от осигуряване на органи

В Националния списък на чакащите за трансплантация на органи на САЩ към 8 март 2023 г. има 106 800 мъже, жени и деца, според Администрацията за здравни ресурси и услуги. Само около 6000 органа годишно биват осигурявани от живи донори. Починалите донори годишно са около 8000, като всеки от тях осигурява средно по 3,5 органа.

Всеки ден 17 души умират, чакайки за орган, а на всеки 10 минути към списъка с чакащи се добавя един човек. По данни на Администрацията за здравни ресурси и услуги над 90% от хората в списъка за трансплантация през 2021 г. са се нуждаели от бъбрек.

>>> Швейцарците подкрепят предполагаемото съгласие при донорство на органи

„Около един милион души по света се нуждаят от бъбрек, което означава, че имат бъбречна недостатъчност и са подложени на хемодиализа.“, казва Луис. „Всяка година смъртността се увеличава с 15%, тъй като диализата е изключително тежка за тялото. Тези данни са наистина стимулиращи и подтикват много учени да се изправят пред предизвикателството на 3D принтирането на органи.“

„Хапчетата за хипертония не са дефицит. Всеки, който има нужда от тях, може да си получи.“, казва Мартин Ротблат, главен изпълнителен директор и председател на United Therapeutics. „Няма практическа причина, поради която всеки, който се нуждае от бъбрек или друг орган (бял дроб, сърце, черен дроб) да не може да получи такъв. Разполагаме с технология, която може да разреши този проблем.“

Подготовка за 3D принтиране на органи

За да стартира процеса на принтиране на орган, лекарите обикновено започват с клетките на пациента. Те взимат биопсия с малка игла на орган или извършват минимално инвазивна хирургична процедура, която премахва малко парче тъкан, необходима за отглеждане на клетки извън тялото.

Този процес се извършва в стерилен инкубатор или биореактор – съд от неръждаема стомана под налягане, който служи за подхранване на клетките с необходимите хранителни вещества. Всеки тип клетка има различна среда и инкубаторът действа като устройство, подобно на пещ, имитирайки вътрешната температура и оксигенацията на човешкото тяло.

След това клетките се смесват с „лепило“, което представлява биомастило – подходяща за принтиране смес от живи клетки, богати на молекули вода, наречени хидрогелове, и растежни фактори, които помагат на клетките да продължат да се размножават и диференцират. Хидрогеловете имитират инвънклетъчната матрица на човешкото тяло, която съдържа различни вещества, включително протеини, колаген и хиалуронова киселина.

Използваните биоматериали обикновено трябва да бъдат нетоксични, биоразградими и биосъвместими, за да се избегне отрицателен имунен отговор. Колагенът и желатинът са два от най-разпространените биоматериали, използвани за принтиране на тъкани и органи.

Процесът на принтиране

Лекарите зареждат всяко биомастило в печатаща камера, използвайки печатаща глава и дюза за екструдиране на мастило и изграждане на материали. За създаването на тъкани с персонализирани свойства се използват принтери, които са програмирани с данни за изображение на пациента от рентгенови лъчи или сканиране.

„При цветния принтер имате няколко различни касети и всяка печата различен цвят.“, коментира д-р Антъни Атала, директор на Института за регенеративна медицина „Уейк Форест“. „Биопринтирането е на същия принцип, но вместо традиционни мастила се използват клетки.“

Времето за принтиране зависи от няколко фактора, включително вида на органа или тъканта, който се отпечатва, фиността на разделителната способност и броя на необходимите печатащи глави. В повечето случаи са необходими няколко часа. „Времето от биопсията до имплантирането е около четири до шест седмици.“, казва Атала.

„Голямото предизвикателство е да накараш принтиран орган действително да функционира след трансплантирането му, така че постигането на това е светият граал.“, коментира Луис.

В зависимост от сложността на органа, понякога има нужда от по-нататъшно узряване на тъканта в биореактор или допълнителни задвижващи връзки. „Има само няколко предизвикателства, които трябва да се решат, за да успеем да накараме принтиран орган действително да функционира като човешки орган. И честно казано, те все още не са напълно решени.“, казва Луис.

След като принтиран орган бъде имплантиран, той ще се разгради естествено с течение на времето, тъй като така е проектиран да работи. „Вероятно се чудите: Е, тогава какво се случва с тъканта? Ще се разпадне ли? Всъщност не.“, казва Атала. „След разтваряне на лепилата клетките усещат, че вече нямат стабилна опора и започват да създават свое собствено лепило.“

Оставащи предизвикателства

Атала и Луис са консервативни в оценките си относно годината, в която напълно функциониращи 3D принтирани органи ще могат да бъдат имплантирани на хора. „Технологията се развива бързо, но мисля, че говорим за повече от десетилетие, дори с целия огромен напредък, който беше постигнат.“, казва Луис.

„Научих се никога да не предвиждам, защото винаги греша.“, казва Атала. „Има толкова много фактори по отношение на производството. В крайна сметка нашият интерес е да се уверим, че технологиите са безопасни.“
„Те ще бъдат достъпни със сигурност.“, казва Атала. „Разходите, свързани с отказ на органи, са много високи. Само поддържането на пациент на диализа е над четвърт милион долари годишно. Така че е много по-евтино да създадем орган, който да имплантираме в пациента.“

Средната цена на бъбречна трансплантация през 2020 г. е била 442 500 долара, сочи изследване на Американското асоциация по нефрология, докато 3D принтерите се предлагат на цени от няколко хиляди долара до над 100 000 долара, в зависимост от тяхната сложност. Въпреки че са налични евтини принтери, поддържането на клетъчни банки за пациенти, култивирането на клетки и безопасното боравене с биологични материали са скъпоструващи услуги.