3D-биопринтинг органов и тканей

История 3D-печати началась в начале 1980-х годов с изобретения Чарльзом Халлом этого метода изготовления объектов, который он назвал «стереолитография». Позже, основанная Халлом компания 3D Systems разработала первый 3D-принтер – устройство с числовым программным управлением, которое использует метод послойной печати объекта, названное «стереолитографическим аппаратом». 3D-печать – это процесс аддитивного производства при котором, объемный объект создается из цифровой модели с помощью 3D-принтера

Работа Халла, а также достижения других исследователей, произвели революцию в производстве объектов с помощью 3D-печати во многих областях, включая медицину и биологию. В медицине и биологии используется термин 3D-биопринтинг (3D-биопечать) — это биотехнология создания объёмных биологических моделей (объектов) конструкций на основе живых клеток и вспомогательных материалов с использованием 3D-биопринтера, при которой клетки сохраняют свои функции и жизнеспособность. Изготовленные на биопринтере биоконструкции переносят в биореактор (инкубатор) где они продолжают расти. При 3D-биопечати используют биочернила (bioinks) – это природные или синтетические биоматериалы, которые имитируют внеклеточный матрикс для поддержки адгезии, пролиферации и дифференцировки живых клеток.
3D-биопринтинг применяется в медицине с начала 2000-х годов, когда эта технология впервые использовалась для изготовления зубных имплантатов и специального протезирования. С тех пор медицинское применение этого метода значительно расширилось. В 2003 году Томас Боланд создает первый 3D-биопринтер и получает патент этой технологии. А компания Organovo из США, первая осуществила коммерциализацию технологии 3D-биопринтинга.

organovo-NovoGen-bioprinter

https://organovo.com/

Методы 3D-биопринтинга зависят от типа используемых клеток и поддержания их роста и жизнеспособности. Некоторые из них: фотолитография, магнитный и лазерный биопринтинг, стереолитография и прямая экструзия клеток. 
Медицинское использование 3D-биопринтинга включает несколько категорий: изготовление тканей и органов; создание индивидуальных протезов и имплантатов; производство лекарственных средств, создание систем доставки и дозирования лекарств, научные исследования в фармакологии. Так например, есть препарат для лечения эпилепсии одобренный FDA, который производится с помощью 3D-печати компанией Aprecia Pharmaceuticals Co.
В данном обзоре мы рассмотрим 3D-биопечать органов и тканей.

С помощью 3D-печати ученые создали искусственные кости, мениск коленного сустава, сердечный клапан, позвоночные диски, другие типы хрящей и костей, а также искусственные уши, кровеносные сосуды, ткани и органы. Например, в 2010 году впервые удалось напечатать фрагмент кожи, а в 2014 — сердечный клапан и фрагмент ткани печени. В 2011 году методом 3D-биопечати создан прототип искусственной почки, в 2016 на биопринтере напечатан фрагмент нервной ткани человека с точно позиционированными нейронами. 

Приведем некоторые перспективные исследования, проведенные в последнее время в области 3D-биопринтинг органов.  

Научные исследования в области 3D-биопринтинга органов

Израильская компания CollPlant и американская United Therapeutics в 2018 году начали проект по разработке и продаже напечатанных на 3D-биопринтере искусственных легких. Как основа для 3D-биопечати каркасов используется рекомбинантный человеческий коллаген – rhCollagen из генетически модифицированного растения табака с пятью генами человека.

Исследователь Михаэль Хаусманн из швейцарского Института EMPA напечатал на 3D-принтере искусственное ухо, которое состоит из нанокристаллов целлюлозы и биополимеров. Гидрогели были усилены целлюлозой для улучшения механических свойств. В настоящий момент ученый работает над внедрением в конструкцию клеток хрящевой ткани.

iskusstvennoje-uho1

Изображение с сайта https://www.empa.ch/

Ученые Института регенеративной медицины из университета Уэйк Фореста (WFIRM), США создали мобильную систему для 3D-биопечати кожи поверх раны. Этот аппарат использует собственные клетки пациента для лечения травм и ожогов, кроме того, его можно установить прямо у кровати пациента. В составе гидрогеля присутствуют основные клетки кожи – фибробласты и кератиноциты, которые можно выделить из образцов здоровой кожи пациента. Следующим шагом исследования станут клинические испытания на людях.

Первая в мире бионическая поджелудочная железа с кровеносными сосудами была напечатана польскими учеными из Foundation for Research and Science Development. Им удалось напечатать орган толщиной 1-1,5 см, и что очень важно он имеет плотную сосудистую сеть. Конечная цель проекта – выращивание на заказ поджелудочной железы из стволовых клеток пациента для лечения диабета, но еще предстоит ряд испытаний.

Ученые из Тель-Авивского Университета с помощью 3D-принтинга напечатали первое в мире трехмёрное сердце с кровеносными сосудами, желудочками и камерами. Учеными создано сердце около 2,5 сантиметров или размером сердца кролика. Искусственное сердце полностью соответствует иммунологическим, клеточным, биохимическим и анатомическим свойствам человека. Данная технология является очень перспективной для будущего лечения заболеваний сердца, и, возможно трансплантации.

Корейские исследователи из Университета науки и технологий Пхохан (POSTECH) использовали 3D-печать для создания искусственной роговицы, а в качестве биочернил использовали межклеточный матрикс, полученный из стромы роговицы, и стволовые клетки. В итоге искусственная роговица повторяет микросреду настоящей роговицы и биосовместима с тканями. Исследователи надеются, если будет достигнута необходимая прозрачность и безопасность – это даст надежду многим пациентам в мире, страдающим заболеваниями роговицы.

Ученые из Северо-западного университета, Чикаго, США, Медицинской школы имени Файнберга, приблизились к созданию искусственных яичников. Напечатанные на 3D-биопринтере органы дают надежду бесплодным женщинам восстановить репродуктивные способности и забеременеть.

В настоящее время технология 3D-биопринтинга органов находится на стадии научных исследований и разработок, и рассматривается в качестве долгосрочной цели для создания органов для трансплантации человеку. Ряд компаний по всему миру активно работают над улучшением 3D-биопринтинга за счет расширения типов материалов, технологий и 3D-биопринтеров. Реально созданных с помощью 3D-биопринтинга органов для трансплантации пока не существует. Созданные органы являются миниатюрными и относительно простыми.

В будущем любой орган может быть напечатан и пересажен всего за несколько часов, без отторжения и осложнений, потому что он будет созданы из клеток пациента в соответствии с его индивидуальными особенностями. В настоящее время биопечать полностью функциональных, сложных внутренних органов невозможна.

Ученые прогнозируют, что на создание полностью работоспособного печатного сердца потребуется около 20 лет.

Научные исследования в области 3D-биопринтинга тканей

Команда ученых из Университете Миннесоты (University of Minnesota) создали на 3D-биопринтере имплантат из силикона со стволовыми клетками для лечения травм спинного мозга. Силиконовый имплантат устанавливается в место повреждения. Клетки начинают делиться и со временем восстанавливают связь между нервными клетками поврежденного спинного мозга по обе стороны от травмы.  

Лечение заболеваний кровеносных сосудов, вен, артерий и каналов огромная проблема нашего времени. Команда исследователей из женского медицинского центра Бригама (Brigham and Women’s Hospital) разработала способ 3D печати биоинженерных сосудов, которые имитируют кровеносные сосуды и каналы в организме человека, включая уротелиальную ткань (ткань из клеток мочеполовой системы). По словам ученых, они могут быть применены в качестве потенциальной замены поврежденным нативным тканям человека.

Команда биоинженеров Университета штата Юта разработала метод 3D-печати человеческих тканей, таких как связки и сухожилия. Исследователи использовали 3D-биопринтер от компании Carterra Inc., который обычно применяется для печати антител при скрининге на рак. Как сообщают ученые, технология в настоящее время предназначена для создания связок, сухожилий и межпозвоночных дисков, но также она может быть использована для любого типа тканевой инженерии. Не исключено, что эту технологию можно применить к 3D-биопечати целых органов.

Российский космонавт Олег Кононенко станцию (МКС) 3 декабря 2018 года на транспортном пилотируемом корабле «Союз МС-11», провел эксперименты по печати в космосе живых тканей. На 3D-биопринтере – напечатано 12 трехмерных тканеинженерных конструктов: шесть образцов ткани хряща человека и шесть органоидов щитовидной железы мыши. После доставки образцов на Землю гистологический анализ подтвердил, что клетки напечатанных тканей живые и соответствуют характеристикам здоровых клеток.

Одна из сложнейших задач регенеративной медицины – создать структуры центральной нервной системы (ЦНС). В Калифорнийском Университете Сан-Диего (США) разработали 3D-биопринтер, для создания имплантата-участка спинного мозга,  (январь 2019). Испытания на животных показали, что новый имплантат прижился, и со временем нервные клетки срослись с нервными клетками животного и сформировали новые связи. В итоге подвижность задних конечностей была частично восстановлена. Впервые созданный на 3D-принтере имплантат, замещающий ткани центральной нервной системы срастил поврежденный спинной мозг.

Группа ученых из Северо-западного университета и университета Иллинойса напечатали на 3D-принтере гиперэластичную кость из комбинированного материала – гидроксиапатита и полигликолевая кислоты, которая имеет решетчатую структуру и поддерживает рост и регенерацию костей. Гиперэластичная кость может стать альтернативой аутологичной кости и костным имплантатам в черепно-лицевой хирургии.

Биоинженеры Университета Райса (Хьюстон, США) преодолели главное препятствие к изготовлению искусственных органов человека с помощью 3D-печати – невозможность изготовить сложную сосудистую сеть, которая может поставлять в органы питательные вещества, кислород, а также для циркуляции крови и лимфы.
В подтверждение своего метода ученые напечатали модель имитирующую легкие с дыхательными путями и кровеносными сосудами. И результаты показали, что искусственные легкие были достаточно крепкими, выдерживают необходимое давление и успешно доставляют кислород в окружающие кровеносные сосуды.
Также исследователи провели эксперимент по имплантации биопечатных конструкций, содержащих клетки печени. В исследовании на животных команда напечатала 3D-сосуды и добавила клетки печени, а затем имплантировала искусственную печень мышам с поврежденной печенью. Результаты показали, что клетки печени пережили имплантацию. Это первая технология 3D-печати, которая решает проблему мультиваскуляризации органов и тканей прямым образом и является очень перспективной для создания органов человека.

Ученые Института регенеративной медицины из университета имени Сеченова в Москве напечатали на 3D-биопринтере искусственную барабанную перепонку, которая по структуре и по функциям абсолютно аналогична настоящей. Перепонка полностью состоит из клеток ткани с включением сосудов и капилляров. К настоящему времени ученые уже провели первые эксперименты пока на шиншиллах, пересадив им в уши частички новой искусственной перепонки. Опыты показали отличные результаты – перфорация перепонки закрылась и даже восстановились слои, как у естественной перепонки. В скором времени хирурги планируют начать проводить операции с использованием 3D-печатной перепонки людям.

Ученые из Университета Карнеги-Меллона разработали технологию 3D-печати частей человеческого сердца из клеток и коллагена, что позволит в будущем создать биологические фрагменты, соответствующие настоящим тканям и органам взрослого человека. 

Биотехнология под названием – FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels — позволяет достичь высокой точности и полноценно функционирующих человеческих органов с помощью 3D-печати. Авторы продемонстрировали успешную 3D-печать пяти компонентов человеческого сердца от капилляров до отдельных структур органа. FRESH найдёт применение в регенеративной медицине, тканевой инженерии, пластической хирургии и многих других областях. Ученые будут проводить дальнейшие испытания нового метода.

Исследовательская группа из Принстонского университета, Нью-Джерси США, сообщила о специальном способе восстановления нервов при сложных травмах с помощью микроэкструзионной 3D-печати. Способ подтвердил успешную регенерацию нерва. Другая исследовательская группа из университета Миссури, США, используя 3D-биопринтинг создала трансплантат, который смог восстановить регенерацию седалищного нерва у крыс. Эти исследования показывают, что 3D-биопечать является перспективным подходом к изготовлению нервного трансплантата и регенерации нерва. 

Команда исследователей из Политехнического института Rensselaer в Трое, штат Нью-Йорк, достигла прорыва в 3D-биопринтинге васкуляризированной ткани кожи. Команда представила новую технику для производства ткани кожи с интегрированными кровеносными сосудами.

А ученые из Институт регенеративной медицины Уэйк Форест, США даже напечатали скелетные мышцы. А другая команда исследователей их этого же института успешно провела биопринтинг ткани трахеи.

 

 

3D-биопринтинг тканей находится намного ближе к клинической практике, и есть результаты.

Клиническое применение 3D-биопринтинга

В журнале The New England Journal of Medicine (NEJM) сообщается, что врачи из Мичиганского университета, Мичиган, США провели успешную операцию ребенку с трахеобронхомаляцией (врожденное заболевание трахеи и бронхов). С помощью 3D-принтера и компьютерной томографии дыхательных путей пациента им удалось изготовить и имплантировать точно смоделированную биорезорбируемую трахеальную шину на левую бронхиальную трубку ребенка. Ребенок выздоровел, и полное рассасывание шины, произойдет в течение 3 лет. 

Например, мочевой пузырь уже печатают. В 2013 году в Университете Уэйк Форест в США исследователи успешно взяли клетки из исходного, плохо функционирующего мочевого пузыря пациента, культивировали их и добавили дополнительные питательные вещества. Затем была напечатана трехмерная форма мочевого пузыря пациента и пропитанные через нее культивируемые клетки. Форма была помещена в инкубатор и, когда она достигла нужной кондиции, ее пересадили пациенту. Форма со временем разрушится, оставив только органический материал. Та же команда успешно создала жизнеспособные уретры.

Группа исследователей из научно-технического университета ETH Zurich (Швейцария) печатает трансплантаты хряща используя собственные клетки организма. Они персонализированы и растут вместе пациентом. Еще в 2015 году ученые в Цюрихе разработали технологию, которая позволит больницам печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Они считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по их методике.   

В 2017 году в Китае детям с врожденным дефектом уха пересадили 3D-печатные уши.

Компании в 3D-биопринтинге Компании которые используют 3D-биопринтинг

Organovo Holdings Inc. (США).

Как мы уже упоминали, компания Organovo является пионером 3D-биопринтинга и имеет свою технологию NovoGen. Используемый Organovo 3D-биопринтер MMX Bioprinter предназначен для биопечати тканей кожи, сердца, кровеносных сосудов, печени, почек, кишечника, костей, скелетных мышц, глаз, молочной и поджелудочной железы, которые могут быть пригодны для хирургии и трансплантации. Organovo успешно создала ткань печени еще в 2014 году. 

Биопечатные ткани органов могут также использоваться в фармацевтической промышленности для исследований и тестирования новых лекарств. Недавно компания создала свой новый коммерческий продукт – биопечатную ткань почек человека. Сегодня продукция Organovo находит спрос у 25 крупнейших фармацевтических компаний. Конструкт печени Organovo используют фармацевтические компании Merk, Janssen Research and Development, Bristol-Myers Squibb, Astellas Pharma, а компании Andrea Biosciences (Astra Zeneka) и La Jolla Pharmaceutical конструкт почки. 

Компания предполагает, что в течение десятилетия мы сможем напечатать функциональные органы, такие как печень, сердце и почки пригодные для трансплантации человеку.
16 декабря 2019 года Organovo и Tarveda Therapeutics объявили о слиянии, объединенная компания будет называться Tarveda Therapeutics. 

https://organovo.com/ 

Particle3D (Дания) 

Компания Particle3D использует свою запатентованную технологию 3D-биопечати костных имплантатов, которые изготавливаются индивидуально под пациента. Как заявляют в компании мы печатаем – Bone™ (кость). 3D-напечатанные имплантаты сделаны из натуральных биоматериалов, имеют пористую структуру, со временем разлагаются и превращаются в настоящую костную ткань (способствуют регенерации кости). Кроме того, они могут применяться для доставки лекарств, включая факторы роста, антибиотики и химиотерапию, которые высвобождаются в течение необходимого периода времени. 

С помощью биопечатных костей можно изучать механизмы заболевания костей или тестировать новые методы терапии и лекарства.

Еще компания производит тканевые каркасы – это структуры для поддержки роста клеток, состоящие из биосовместимых материалов, которые широко используются в таких областях исследований, как тканевая инженерия, создание управляемых тканей, регенеративная медицина и исследования стволовых и раковых клеток.

Еще одним продуктом Particle3D являются анатомические 3D-модели кости созданные на основе данных КТ которые позволяют осуществлять 3D-визуализацию перед операцией и проводить обучение.

https://particle3d.com/ 

Foundation of research and science development (Польша)

Фонд исследований и развития науки (Fundacja Badań i Rozwoju Nauki Fundacja Badań i Rozwoju Nauki) был создан в 2009 году и имеет статус научного подразделения, входящего в состав Министерства науки и высшего образования Польши.  

Широкую известность он получил когда на 3D-биопринтере была напечатана первая в мире бионическая поджелудочная железа с сосудами под руководством хирурга, трансплантолога, доктора медицинских наук Михаила Вшолы

Фонд реализовал много впечатляющих проектов, например, исследования в области эндоскопической трансплантации островков поджелудочной железы Это был первый подобный проект в мире, который через несколько лет привел к успешной трансплантации нескольким пациентам.

В настоящее время фонд продолжает работать над 3D-печатью бионической поджелудочной железы и сотрудничает с другими научными организациями. Исследователи фонда стремится создать бионическую поджелудочную железу – орган, который обеспечит людям с диабетом нормальную жизнь, а также заменит потребность в хронической терапии инсулином. 

https://fundacjabirn.pl/

Precise Bio (США)

Precise Bio – биотехнологическая компания которая продвигает использование 3D-биопечатных тканей и органов у пациентов в офтальмологии.

Коммерческие и научно-исследовательские программы компании основаны на ее технологии 4D-биопринтинга, которую компания называет 4D-биофабрикацией, чтобы отличать ее от других биотехнологических подходов. Технология печати Precise Bio является первой платформой для одноклеточной биопечати, она может точно контролировать клеточную печать и точное пространственное позиционирование. Ключевые преимущества этой технологии по сравнению с другими подходами в биотехнологии – создавать сложные ткани с высокой воспроизводимостью, а также создавать связь между нанесенными слоями клеток.

Precise Bio выполнила трансплантацию 3D-печатной роговицы с человеческими клетками животным и результаты подтвердили безопасность и эффективность этой технологии. Первые клинические испытания 3D-печатной роговицы запланированы на начало 2021 года.
Компания имеет офисы, лаборатории и производственные мощности в США и Израиле. 

Кроме биопечати роговицы в планы компании входит биопечать других органов и тканей для использования в офтальмологии, а также в ортопедии, стоматологии, дерматологии и лечении ран.

Фото: Биопринтер фирмы Precise Bio, на котором и была создана искусственная роговица

http://www.precise-bio.com/ 

Nanochon (США)

Компания Nanochon использует передовые синтетические наноматериалы в 3D-биопечати для создания имплантатов, которые восстанавливают кости и хрящи. 

Имплантаты предназначены не только для замены разрушенного и поврежденного хряща, но являются одновременно и ортопедическим несущим имплантатом и каркасом для стимулирования роста новых тканей. 

Имплантаты Nanochon дают новые возможности для лечения повреждений хряща коленного сустава большого размера – более быстрого и успешного восстановления, а также снижение затрат на лечение. Имплантат Nanochon предназначен для лечения различных травм колена, включая спортивные, раннего остеоартрита и других повреждений. Цель Nanochon – установить новый клинический стандарт для восстановления хряща. 

Кроме того, Nanochon предлагает услуги в ветеринарии – восстановление кости и хрящей у лошадей.  

http://www.nanochon.com/   

Qrons (США)

Основанная в 2016 году, Qrons является биотехнологической компанией разрабатывающей передовые клеточные решения для борьбы с неврологическими заболеваниями возникающими при черепно-мозговых травмах и сотрясениях мозга. Метод лечения включает в себя запатентованные модифицированные мезенхимальные стволовые клетки (MSC), 3D-печатные биокаркасы, синтетические смарт-биоматериалы (QS100™, QS200™) и новую систему доставки для восстановления поврежденных тканей.

Qrons использует 3D-биопринтинг для печати имплантатов, предназначенных для лечения проникающих повреждений головного мозга. Как заявляют в компании их метод 3D-биопечати – инновационный подход к лечению черепно-мозговых травм, для которых в настоящее время не существует надлежащей терапии. Как предполагается, технология компании уменьшит потерю нейронов и функциональные нарушения у пациентов, и возможно, восстановит ткани и функции мозга у пациентов. 

Технология Qrons потенциально может лечить широкий спектр нейродегенеративных заболеваний. 

www.qrons.com  

Biolife4d (США)

Biolife4D – новаторская биотехнологическая компания специализирующаяся на 3D-биопринтинге тканей сердца. В компании заявили, что уже на пути создания полностью функционального человеческого сердца с помощью 3D-биопринтинга и собственных клеток пациента. Это может решить проблему нехватки и отторжения донорских органов. 

9 сентября 2019 года Biolife4D объявили о 3D-биопечати мини-сердца человека. Напечатанное мини-сердце имеет структуру полноразмерного сердца с четырьмя внутренними камерами – левое предсердие, правое предсердие, левый желудочек, правый желудочек, венами и артерией и частично воспроизводит функции настоящего сердца. 

Компания разработала биочернила с использованием различных соединений внеклеточного матрикса, которые позволяют печатать сердца млекопитающих, а также новый уникальный алгоритм биопечати, оптимизированных для создания сердца. 

Благодаря внедрению этой технологии, Biolife4D теперь имеет все возможности для создания человеческого сердца пригодного для пересадки – заявляют в компании.     

Ранее, в июне 2018 года с помощью 3D-биопечати компания создала человеческую сердечную ткань, а в 2019 году успешно провела 3D-биопечать различных компонентов сердца, включая клапаны, желудочки, кровеносные сосуды.

Инновационный метод компании Biolife4D позволяет перепрограммировать лейкоциты пациента в индуцированные плюрипотентные клетки (iPS), а затем дифференцировать эти клетки в другие типы клеток сердца, необходимые для 3D-биопринтинга отдельных компонентов сердца и, как ожидается, сердца человека, пригодного для трансплантации. 

https://biolife4d.com/

CollPlan (Израиль)

CollPlant – биотехнологическая компания в области регенеративной медицины, о которой мы уже писали, занимается разработкой и коммерциализацией продуктов для восстановления тканей. Биоматериалы компании основаны на запатентованном рекомбинантном человеческом коллагене типа I – rhCollagen, который идентичен коллагену вырабатываемому человеческим организмом. Технология представляет собой производство рекомбинантного человеческого коллагена – rhCollagen из генетически модифицированного растения табака с пятью генами человека. 

Продукты компании на основе rhCollagen:

VergenixSTR – для восстановления мягких тканей.

Vergenix ™ FG – для лечения хронических и тяжелых ран. 

CollPlant

Фото с портала https://www.orthospinenews.com/

Уникальные свойства rhCollagen делают его идеальным биоматериалом как основа для 3D-биопринтинга каркасов многих тканей и органов, таких как, искусственные сухожилия и связки, ткани для офтальмологии и др.

В октябре 2018 года CollPlant  заключила лицензионное соглашение с компанией United Therapeutics, согласно которому ее дочернее предприятие – Lung Biotechnology PBC будет применять биочернила CollPlant для производства 3D-биопечатных имплантатов легких для трансплантации людям.

Также Collplant компания представила первый прототип имплантата для восстановления тканей груди, который со временем будет растворяться в организме, а на его месте будет развиваться собственная ткань пациентам. Напечатанные на 3D-биопринтере грудные имплантаты будут безопасной альтернативой традиционным операциям на груди, и новая технология существенно снизит риск побочных эффектов при увеличении груди – сообщают в компании.

https://ir.collplant.com/ 


OxSyBio (Великобритания) 

Лондонский стартап OxSyBio был основан в 2014 году учеными из Оксфордского университета для производства синтетических материалов напоминающих живые ткани с помощью технологии капельной 3D-печати. Суть технологии OxSyBio – клетки помещают в микрокапли с липидным покрытием, поэтому их можно накладывать слоями, создавая структуру будущей ткани. Созданные капельные структуры (сетки) могут проводить электрические импульсы как нервные клетки, в определенном направлении. Каждая капля имеет такой же размер, как и клетка, и ее можно расположить с точностью до микрона для создания тканей высокого разрешения. 

Технология OxSyBio позволяет использовать разные вида чернил для создания высокодетализированных тканей – это могут быть живые клетки, неорганические молекулы или их гибриды.
Синтетические материалы созданные по этой технологии можно использовать для лечения ожогов, испытания лекарственных препаратов и научных исследований. 

В будущем исследователи планируют создание на 3D-биопринтере сложных органов путем объединения синтетических материалов с живыми клеточными культурами для создания органов и тканей для трансплантаций. 

 

http://www.oxsybio.com/ 

Tissue Regeneration Systems (США) 

Tissue Regeneration Systems коммерциализирует платформу для реконструкции скелета и регенерации кости, которая была разработана на основе новаторских исследований, проведенных в университетах Мичигана и Висконсина. Эта платформа имеет две технологии.

Технология скаффолдов (каркасов клеток) позволяет с помощью 3D-биопечати изготавливать имплантаты для восстановления скелета, которые имеют уникальные свойства. После имплантации они рассасываются и происходит регенерация костной ткани. И хотя имплантаты имеют пористую структуру они могут нести значительную нагрузку и функцию поддержки. Скаффолды изготавливаются индивидуально под пациента, с учетом анатомических особенностей. 

Вторая технология – это скаффорлды с остеокондуктивным минеральным покрытием Affinity™, которые ускоряют регенерацию и пролиферацию кости в пористом имплантате. Affinity™ имеет пластинчатую наноструктуру, которая напоминает живую кость и служит отличным материалом для адгезии аутологичных клеток и факторов роста.

Tissue Regeneration Systems получила разрешение FDA для своего первого коммерческого продукта Cranial Bone Void Filler. 

Также технологическая платформа компании подходит для других направлений: челюстно-лицевой и ортопедической хирургии, хирургии сращивания позвоночника, стоматологической имплантации и роста костей.

https://tissuesys.com/ 

Advanced BioMatrix (США) 

Advanced BioMatrix компания, которая уже более 10 лет производит и поставляет биоматериалы для 3D-биопринтинга – биочернила, гидрогели, различные виды коллагена, готовые клеточные культуры, биокаркасы, пептиды, гиаллуроновую кислоту и др. 

Каждый год в компании появляются новые продукты и технологии, она сотрудничает со многими исследовательскими институтами, университетами и другими биотехнологическими компаниями.

Например, компоненты человеческого сердца напечатанные по технологии FRESH, о которой мы упоминали выше, изготовлены на основе биочернил Lifeink® 200. 

Биоматериалы Advanced BioMatrix подходят для 3D-биопечати носового хряща, мениска, сердца и его компонентов и многих других тканей и органов.

www.advancedbiomatrix.com

3D Bioprinting Solutions (Россия)

3D Bioprinting Solutions – лаборатория биотехнологических исследований, первая биопечатающая компания в России, дочернее предприятие американской компании Vivax Bio. 

Деятельность компании – разработка и производство биопринтеров и материалов в области 3D-биопринтинга, новых технологий в биофабрикации и лекарственных препаратов.

3D Bioprinting Solutions создала первый российский 3D-биопринтер с программным обеспечением – Fabion, который является одним из наиболее мультифункциональных в мире по возможности печати различными биоматериалами. Компания постоянно развивается – был разработан уникальный магнитный биопринтер Орган.Авт который использует технологию магнитной левитации и позволяет производить самосборку микротканей и микроорганов из тканевых сфероидов. 

Компания сотрудничает с Росскосмос. Эксперименты по 3D-биопечати в космосе живых тканей проведены космонавтом Олегом Кононенко 3 декабря 2018 года на корабле «Союз МС-11». Напечатано 12 трехмерных тканеинженерных конструктов: шесть образцов ткани хряща человека и шесть органоидов щитовидной железы мыши. После доставки образцов на Землю ученые констатировали, что клетки напечатанных тканей живые и соответствуют характеристикам здоровых клеток.

https://bioprinting.ru/ 

Aspect Biosystems (Канада)

Aspect Biosystems – биотехнологическая компания, впервые внедрившая технологию микрофлюидной 3D-биопечати для создания живых тканей человека для научных исследований, разработки и тестирования лекарств, продуктов регенеративной медицины.

Технологическая платформа Aspect представляет собой новый способ биопечати, который состоит из серии модульных микрофлюидных картриджей для печатающих головок. Микрожидкостный подход позволяет создавать гетерогенные трехмерные ткани, наносить различные биочернила из одного сопла и точно контролировать микросреду ткани, а также модулировать жесткость матрикса, одновременно обеспечивая структурную стабильность ткани.
В компании Aspect Biosystems разработан микрофлюидный 3D-биопринтер – RX1, который имеет высокое печатающее разрешение, персонализированную настройку, совместим с большинством биоматериалов включая биочернила с низкой вязкостью. Микрожидкостные печатающие головки биопринтера обеспечивают плавное переключение между несколькими материалами и точный контроль толщины ткани и позволяет печатать многослойные ткани с полой сердцевиной для перфузии (кровоснабжение органов).
Технология микрофлюидной 3D-биопечати позволяет поддерживать высокую жизнеспособность клеток и сохранять их фенотип. 

bioprinter-aspectbiosystemsv

Фото с сайта www.aspectbiosystems.com

Настраиваемые биоматериалы Aspect Biosystems позволяют включать различные биологические компоненты для имитации внеклеточного матрикса, используя низкие концентрации биоматериала и обеспечивать диффузию и высокую плотность клеток. 

Компания также развивает программы терапии внутренних органов для регенеративной медицины, уделяет основное внимание болезням обмена веществ и костно-мышечным травмам и заболеваниям. В компании значительно продвинулись в разработке 3D-биопечатного имплантата мениска. В настоящее время компания работает над созданием 3D-биопечатной имплантируемой мышечной ткани, а также ткани печени и поджелудочной железы. 

https://aspectbiosystems.com/

Poietis (Франция)

Poietis – французский стартап созданный в сентябре 2014 года, является дочерним предприятием компании INSERM и университета города Бордо, а сейчас биотехнологическая компания, специализирующаяся на разработке и производстве тканей человека методом 4D-биопринтинга. Компания использует биопечать с высокой точностью и разрешением с помощью лазерных технологий, в итоге выживаемость клеток составляет почти 100%. 

Принцип действия технологии 4D-биопринтинга компании заключается в фокусировании лазера на гидрогеле с клетками, в результате возникает струя микрокапель, которые затем концентрируются на рабочей поверхности по мере того, как устройство печатает этими клетками слой за слоем трехмерный биоконструкт. Процесс назвали 4D-биопечать, так как задействуется четвертое измерение – время, необходимое для окончательного формирования ткани биоконструкта. 

Мультимодальная платформа биопечати NGB (биопечать следующего поколения) предоставляет исследователям большую свободу в выборе биоматериалов и гидрогелей, а также универсальность в исследованиях.
Poietis предлагает два биопринтера: NGB-R Bioprinter для исследовательских целей и NGB-C Bioprinter – для клинического применения при биопечати имплантируемых тканей.

Компания разрабатывает физиологические модели для скрининга косметических средств и лекарств, и в настоящее время продает: Poieskin® – биопечатную ткань человека полностью изготовленную методом 3D-биопечати.

Кроме того, Poietis разрабатывает 3D-биопечатный терапевтический продукт для лечения хронических ран, таких как диабетические язвы на ногах или венозные язвы, пластырь для восстановления миокарда и сердечный клапан.
Poietis сотрудничает с различными мировыми компаниями, с BASF о совместных исследованиях в сфере косметологии, с Servier Laboratories для создания 4D-биопринтера для определения токсичности печени, с L’Oréal в области регенерации и инженерии волос.

https://poietis.com/

Cyfuse Biomedical KK (Япония)

Cyfuse Biomedical занимается исследованиями, разработками и коммерциализацией систем 3D-биопринтинга тканей и клеточных продуктов для регенеративной медицины. Компания основана бывшим инженером компании Panasonic и исследователем в области регенеративной медицине. 

Cyfuse Biomedical создала собственную технологическую платформу для придания живым клеткам любой 3D-формы и разработала собственный 3D-биопринтер Regenova®, автоматизирующий процесс биопринтинга тканей из первичных клеток.
Технология основана на «методе Кензана», который предусматривает 3D-биопечать без использования коллагена или гидрогеля. Вместо этого сфероиды клеток помещают на кончики тончайших игл, которые собраны в массив, по мере роста они сливаются с соседними сфероидами образуя однородный клеточный биоконструкт. Таким образом массив игл заменяет гидрогель, а применение игл разной длины позволяет контролировать толщину клеточного конструкта и питательного раствора для роста клеток. С помощью этого метода уже созданы ткань печени и сосуды диаметром 2-3 мм. 

3D-биопринтер Regenova подходит для проведения испытаний лекарственных и косметических средств, для создания трансплантатов из клеток пациентов. 

Согласно Cyfuse Biomedical, их метод значительно превосходит прочие технологии 3D-биопечати за счёт высокой точности, снижения риска повреждения клеток и увеличения их жизнеспособности. Используя собственную технологию, компания Cyfuse Biomedical также разрабатывает продукты регенеративной медицины для костей, хрящей, сосудов и нервов.

http://www.cyfusebio.com/

Cellink AB (Швеция) 

Компания Cellink разработала первые универсальные биочернила (биоматериал), которые совместимы с клетками любого типа для любых 3D-биопринтеров. Cellink изготавливает эти чернила из нанофибриллярной целлюлозы, а также альгината, полученного из водорослей Норвежского моря.

Компания Cellink разрабатывает и коммерциализирует технологии 3D-биопечати – позволяя исследователям печатать органы и ткани в для различных отраслей от фармацевтической до косметической.

Новый 3D-биопринтер компании – BIO X со встроенным компьютером Neocortex M1 может быть использован для научных исследований и печати человеческих тканей, внутренних органов, кожи, хрящей и костей, в том числе для сердца. В BIO X используется сменные интеллектуальные печатающие головки, которые способны автономно нагреваться и охлаждаться. Кроме того, пользователям доступен выбор из целого ряда методов экструзии для оптимизации различных биоматериалов и тканей. Контроль температуры в зоне биопечати помогает увеличить объем печатаемого принтером биоматериала – утверждают в компании. В биопринтере используется запатентованная технология Cellink – Clean Chamber Technology, которая использует воздушный фильтр высокой эффективности (HEPA). Предшественниками BIO X являются две другие модели 3D-биопринтеров – INKREDIBLE и INKREDIBLE +. 

В CELLINK использовали биопечать для исследования сфероидального образования клеточной линии рака легких. Также компания разрабатывает специальные биочернила для нервных тканей, которые можно использовать для специализированных нейронных клеток спинного мозга, таких как двигательные нейроны и астроциты. 

CELLINK распространяет продукцию в 700 престижных лабораториях в более 50 странах мира.

https://cellink.com/ 

Allevi (США)

До осени 2017 года компания Allevi называлась Biobots и была известна в качестве одного из первых разработчиков недорогих настольных 3D-биопринтеров, которые являются универсальными, просты в использовании и печатают с высоким разрешением. 

В технологии Allevi используется печать с экструзией под давлением из множества гидрогелей, таких как агароза, коллаген, альгинат и полиэтиленгликоль. При экструзии используется технология синего света и ультрафиолетового излучения не повреждая живые клетки.

3D-биопринтер Allevi 1 имеет минимальный размер и невысокую стоимость, прост в использовании подходит для научных исследований и обучения.

3D-биопринтер Allevi 2 – это настольный 3D-биопринтер, который печатает ткани из клеток человека. 

3D-биопринтер Allevi 3 – универсальный биопринтер и подходит для моделирования заболеваний, разработки и тестирования лекарств, научных исследований и клинического применения. Биопринтер работает с любыми типами клеток, на нем можно печатать любые ткани и органы, кости и хрящи, сосуды, создавать органоиды. 

Allevi сотрудничает с компанией Made in Space для разработки 3D-биопринтера для биопечати в космосе – Allevi ZeroG. Уже был разработан биоэкструдер ZeroG который позволит ученым одновременно проводить эксперименты как на земле, так и в космосе. Это позволит увидеть биологические различия, которые происходят с клетками в условиях гравитацией и без нее.
Также компания Allevi предлагает биочернила и биоматериалы (клетки) для печати тканей печени, сердца, костей, хрящей, почек, кожи, сосудов, нервных тканей, мозга. Продукция компании используются ведущими исследователями во всем мире для лечения заболеваний, тестирования новых лекарств и трансплантации тканей.

https://allevi3d.com/

REGENHU Ltd. (Швейцария)

RegenHu – биотехнологическая компания которая создает комплексные решения для биопроизводства. Компания предлагает два типа 3D-биопринтеров – лазерный и диспенсерный (дозирующий), а также биочернила (биоматериалы) и 3D-программное обеспечение для моделирования тканей. Конвергенция технологий экструзии (струйная, пневматическая, поршневая, термопластичная дозировка) и электроспиннинга (расплав или раствор) обеспечивает беспрецедентный контроль качества клеточных конструктов в масштабе микро-нано. В RegenHu используются клетки, белки, внеклеточный матрикс и синтетические материалы для создания тканей разных типов.

Биопринтер 3DDiscovery™ Evolution 3D, создан по модульному принципу для обеспечения максимальной гибкости использования и предназначен как для опытных ученых, так и для тех, кто делает первые шаги в 3D-биопечати. Биопринтер содержит шесть печатающих головок.
3D-биопринтер BioFactory™ – мощный инструмент для тканевой инженерии, позволяющий печатать в физиологических условиях. Восемь технологий печатающих головок позволяют ученым моделировать клетки, биологические молекулы и ряд мягких и жестких материалов в трехмерных композитных структурах, которые имитируют естественную среду.

regenhu-3DD-Evolution

Биопринтер 3DDISCOVERY™ EVOLUTION. Фото с с сайта https://www.regenhu.com/

3D-биопринтеры RegenHu по функциональности и возможностям превосходят все другие, но и стоят на порядок дороже. ECM-BioInk™ – это трехмерный каркас из пептидных нановолокон, который способствует росту и миграции клеток. Имеются 5 видов ECM-BioInk™, которые отличаются друг от друга и предназначены для разных задач.

На сегодняшний день решения для 3D-биопринтинга компании используются для тканевой инженерии, регенеративной и персонализированной медицины, скрининга и разработки лекарств, научных академических исследований и образования, микрофлюидики, органов-на-чипе.

Платформы трехмерной биопечати RegenHU известны во всем мире благодаря своей гибкости и точности. Клиенты используют 3D-принтеры RegenHu для печати тканей костей, мышц, сухожилий, кожи, почек, печени и легких. Компания выступает в качестве основного поставщика оборудования и биоматериалов ведущим мировым научным и клиническим учреждениям, среди ее клиентов – L’Oreal, Novartis Pharmaceuticals и другие. 

https://www.regenhu.com/ 

Другие компании и организации работающие в области 3-биопринтинга: Antleron (Бельгия), EnvisionTEC (Германия), Nano3D Biosciences (США), Regemat 3D (Испания), 3D Biotek (США), Vivax Bio (США), IBEC (Испания), GeSiM (Германия), 3Dynamic Systems (Великобритания), Regenovo Biotechnology (Китай). 

Заключение 

3D-печать становится все более совершенной и стремится отвечать самым высоким требованиям современной медицины. И хотя еще потребуется много испытаний до клинического применения этой технологии, она является одним из важнейших направлений в регенеративной медицине.

Преимущества 3D-биопринтинга:

  • решение проблемы дефицита донорских органов 
  • недорогая и быстрая биопечать под конкретного пациента
  • сокращение расходов на здравоохранение
  • уменьшение ожидания трансплантации органов 
  • снижение смертности от хронических и возраст-зависимых заболеваний.

Инвестиции в отрасль 3D-биопринтинга с каждым годом увеличиваются. Согласно прогнозу Market Research Future (MRFR) объем мирового рынка 3D-биопечати к 2023 году достигнет 1 923,02 млн. дол. США, а доля рынка увеличится на 24,59%. 

По мнению ученых потребуется годы, когда начнут печатать функциональные органы, а нам остается дождаться того момента, когда произойдет это великий биологический прорыв. 


Эдуард Ефименко

Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации. 

Добавить комментарий