Ранее специалисты из Ханчжоуского университета электроники представили рабочую станцию 3D-биопечати Regenovo (китайский конкурент калифорнийской компании Organovo, также работающей в области создания искусственной печени), позволяющей печатать структурно-функциональные единицы печени – печёночные доли.
О печати органов до сих пор говорят довольно редко, но учёные просто работали и смогли представить общественности живое сердце, напечатанное на 3D-принтере (TAU scientists print first ever 3D heart using patient’s own cells, 2019).
© Getty Images News
Сердце получилось маленькое, порядка 2,5 см, но зато полноценно функционирующее. До этого, как и было сказано, удавалось печатать отдельно простые ткани и кровеносные сосуды.
Сердце же, представленное 15 апреля 2019 года, воссоздано полностью, включая все кровеносные сосуды, желудочки и камеры. Оно состоит из жировых клеток донора, которые методом генной инженерии были преобразованы в стволовые клетки, а уже затем – в клетки сердечно-сосудистой мышцы и кровеносных сосудов, после чего их смешали с соединительной тканью и поместили в специальный биореактор 3D-принтера.
© Getty Images News
В конечном счёте получилось сердце, по сути, как у новорожденного, способное сокращаться. На то, чтобы напечатать этот крошечный орган, потребовались три часа и миллионы клеток. Для печати человеческого сердца в натуральную величину потребуются уже миллиарды клеток и не менее одного дня. Но об этом говорить пока рано. В первую очередь учёные ставят целью пересадить напечатанное сердце животному – кролику или крысе – в течение текущего года. Хотелось бы застать время, когда люди перестанут умирать в ожидании доноров. Теперь кажется, что это очень даже возможно.
Медицина будущего уже сегодня
Я так думаю, вы уже поняли, что осваивать космос и планеты Солнечной системы без развития новейших технологий, среди которых одним из приоритетных направлений являются аддитивные технологии в медицине, вряд ли получится. Несколько примеров прорывных исследований я уже привёл, но есть ещё одно, на котором я хотел бы заострить внимание.
Впервые одна из самых смертоносных форм опухоли головного мозга – глиобластома – была успешно напечатана на 3D-биопринтере в среде клеток мозга вместе с сосудами, снабжающими её кровью (LENA NEUFELD, 2021).
Глиобластома является довольно редкой, но, появляясь на мозге или стволе мозга, быстро растёт и почти всегда смертельна. Этот тип рака настолько агрессивен, что лечение должно быть максимально жёстким. Пациенты чаще всего не выдерживают всех необходимых курсов лучевой и химиотерапии.
Чтобы узнать как можно больше об этом типе рака, учёным необходимо работать с ним напрямую, а делать из страдающих пациентов подопытных животных – как минимум неэтично. Приходится проводить исследования со средами, выращенными в чашках Петри, но этот способ имеет множество ограничений.
К примеру, в одном из исследований учёные обнаружили белок, который вырабатывается, когда раковые клетки в глиобластоме сталкиваются с микроглиальными клетками в мозге, заставляя их действовать в поддержку глиобластомы, а не бороться с ней.
Проблема была в том, что этот белок удалось обнаружить в опухолях, полученных сразу после удаления у пациента, но не в клетках глиобластомы, выращенных в чашках Петри в лаборатории.
Причина в том, что рак, как и все ткани, в лабораторных условиях ведёт себя совсем иначе, чем в человеческом теле. Примерно 90 % всех экспериментальных препаратов терпят неудачу на клинической стадии, потому что успех, достигнутый в лаборатории, не воспроизводится у пациентов.
В таком ключе борьба с раком займёт огромное количество времени. Именно здесь пришли на выручку современные технологии. Чтобы обойти эти ограничения, команда специалистов разработала биочернила глиобластомы, созданные из клеток глиобластомы, астроцитов и микроглии, полученных от пациента.
В результате этой работы была получена самая полная репликация опухоли и окружающих тканей, которую учёным даже удалось обеспечить функциональным кровоснабжением, – прорыв, который по-настоящему продвинет поиски методов лечения рака на принципиально новый уровень.
Только представьте, с развитием этого метода можно будет взять образец ткани пациента, напечатать из него 100 крошечных опухолей и протестировать множество различных лекарств в различных комбинациях, чтобы найти оптимальное лечение для конкретного человека с конкретной опухолью. Вот уж действительно персонализированная медицина.
Подведём итог. Процесс биопечати на сегодня, мягко говоря, неидеален и требует доработки вручную, непосредственно в процессе. В настоящее время выживают до 90 % клеток, созданных на биопринтере, а продолжительность их существования составляет около четырёх месяцев. Но даже десять лет назад разговоры о 3D-биопечати были уделом лишь писателей-фантастов, а сегодня можно считать успешными опыты по печати не только ушей и носа, но даже работоспособного сердца. Что же касается полностью искусственной печени, над которой сейчас работает большинство лабораторий, то, по мнению учёных, увидеть её можно будет примерно через пять-семь лет. При достижении этого результата станет очень сложно спрогнозировать, например, увеличение продолжительности жизни и возможностей по адаптации человека к различным условиям, что снова приводит нас к освоению новых миров.
Инженерия, робототехника и искусственный интеллект
Человеческий глаз, с его полусферической сетчаткой, имеет более оригинальную оптическую схему, чем, скажем, датчики плоского изображения в камерах. Купольная форма сетчатки естественным образом уменьшает распространение света, прошедшего через линзу, и тем самым обостряет фокус. Повторить полусферическую форму сетчатки при разработке искусственного глаза не удавалось до недавнего времени. Пока специалисты не создали инновационную, вогнуто-полусферическую сетчатку. Она состоит из массива наноразмерных световых датчиков (фотосенсоров). Эти датчики имитируют фоторецепторы в сетчатке глаза человека (Leilei Gu, 2020).
Основным компонентом искусственного биомиметического глаза служит высокоплотный массив фотосенсоров, выполняющий функции сетчатки. Биомиметические наноматериалы, или биомиметики, – это искусственные наноматериалы. Они имитируют свойства биоматериалов или созданы на основе принципов, реализованных в живой природе.
Конструкция этого глаза поразительна и во многом имитирует человеческий. Тонкие гибкие провода из галлий-индиевого сплава, запечатанные в мягкие полимерные трубки, передают сигналы от наноразмерных фотодатчиков на внешнюю систему обработки сигналов. Эти провода имитируют нервные волокна, соединяющие человеческий глаз с мозгом. Искусственная сетчатка удерживается на месте с помощью гнезда, изготовленного из силиконового полимера.
Поражает тот факт, что по времени отклика на воздействие света и возврата к неактивному состоянию фотосенсоры искусственного глаза превосходят человеческие фоторецепторы. Так, фотосенсорам искусственного глаза на фиксацию света, передачу сигнала и возврат к исходному состоянию требуется до 43,1 мс. А фоторецепторам человеческого глаза – от 40 до 150 мс.
Но, пожалуй, самый впечатляющий факт – это высокое разрешение изображения, полученное искусственной сетчаткой глаза. Оно объясняется высокой плотностью массива фотосенсоров, которая достигает 4,6×108 см-2, что намного больше, чем у фоторецепторов в сетчатке глаза человека (около 107 см-2).
Сигнал от каждого фотосенсора может быть получен индивидуально. Но пиксели в текущем устройстве формируются из групп по 3–4 фотосенсора. Такими темпами нам недалеко до настоящего киберпанка.
Общая производительность искусственного глаза представляет собой огромный скачок вперёд для подобных устройств. Но впереди ещё очень много работы. Необходимо разрабатывать гораздо более дешёвые высокопроизводительные методы изготовления. Потребуется значительно увеличивать матрицу фотосенсоров, которая сейчас составляет всего 10×10 пикселей примерно с 200-микрометровыми зазорами между ними.
Помимо этого, придётся улучшить разрешение и масштаб сетчатки, уменьшить диаметр галлий-индиевых проводов с 700 до нескольких микрометров. Ну и, конечно, потребуется много испытаний. Но, так или иначе, данная разработка является огромным скачком вперёд.
Робот-хирург будущего готовится к отправке в космос, но изменит жизнь и на Земле
Всё, о чём вы только что прочитали, конечно, потрясает. Однако не следует забывать, что это ещё только первые шаги на пути будущего освоения космоса. Но ведь мы летаем туда и сегодня, а до полноценного выращивания искусственных органов для замены настоящих ещё далеко.
К тому же кто-то или что-то должно будет их заменять. Ведь как ни крути, но в ближайшем будущем человечество намерено всерьёз осваивать космос. Первые объекты для освоения – конечно, Луна и Марс, на который, помимо всего прочего, ещё и лететь больше четырёх месяцев, находясь в замкнутом пространстве космического корабля, о чём мы уже говорили.
Кроме того, NASA уже сегодня начинает испытывать технологии для коммерческого использования пространства Земля – Луна. В общем, в ближайшем будущем человеку необходимо научиться находиться в космосе довольно продолжительное время, что создаёт много самых разных проблем, включая медицинское обслуживание. Особенно, когда дело доходит до проведения операций.
Без роботов в космосе делать нечего
Одним из первых автоматических аппаратов в хирургии, о котором, уверен, многие слышали, был робот-хирург da Vinci. Его рабочий прототип был разработан ещё в конце 80-х годов прошлого века в рамках контракта с армией США. Уже к 2015 году было построено более 3 000 таких аппаратов, 25 из которых находятся в России.