Операции без скальпеля Как делают 3D-биопечать на живом человеке

Начнем с главного: операция прошла успешно, и человек, получивший первую в мире «3D-заплатку» из собственных клеток, уже поправился. Пациенту требовалось лечение глубокого поражения мягких тканей, то есть открытой раны. Обычно в таких случаях берут фрагмент кожи с другой части тела и пересаживают на поврежденный участок. Это не лучший вариант с точки зрения общей травматизации, но альтернатив ему нет. Точнее, не было до сих пор. Пациент не поделился с «Цифровым океаном» своими впечатлениями — ​раскрывать его личные данные запрещено по соображениям конфиденциальности. О ходе процедуры рассказал Александр Левин, разработчик программно-аппаратного комплекса биопечати, созданного НИТУ МИСИС и компанией 3D Bioprinting Solutions. Александр присутствовал на операции и непосредственно в ней участвовал.

План операции

После предоперационной подготовки у пациента взяли несколько миллилитров костного мозга. Из него выделили биологический материал с высоким содержанием мультипотентных стволовых клеток. Термин «мультипотентные» означает, что из них могут развиться клетки разных тканей и органов, например кожи, мышц или крови. Стволовые клетки ввели в гидрогель — ​получился состав для печати, который можно условно назвать биочернилами.

Пока готовились биочернила, робототехники провели 3D-сканирование области печати, то есть раны. Получилась трехмерная модель, на основе которой компьютер рассчитал траекторию движения печатающей головки. После нескольких тестов и необходимых корректировок все было готово: в головку установили шприц с биочернилами и запустили процесс печати, который длился меньше двух минут. Затем на получившуюся заплатку нанесли специальную повязку, и пациент покинул операционную.

Хирург взял клетки пациента из костного мозга и добавил их в био-чернила

Не обошлось и без трудностей. Например, оказалось, что во время операции робот не может печатать под заранее запланированным углом — ​ему мешают медицинские аппараты, закрепленные на теле пациента. Но программное обеспечение позволяет корректировать траекторию печати «на лету», так что заминку оперативно исправили.

Александр Левин, инженер лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС:

В ходе эксперимента мы решали сразу несколько задач. Во-первых, нужно было проверить работоспособность и безопасность технологии „в боевых условиях“, на живом человеке. С животными мы уже все отработали на отлично. Во-вторых — ​выявить как можно больше организационных и технических недочетов, заминок или иных потенциальных точек роста, чтобы понимать, как оптимизировать процедуры не в лабораторных условиях, а в реальной операционной. Это важно для индустрии печати в целом, не только применительно к нашей разработке. Наконец, в-третьих и в-главных — ​нужно было помочь живому человеку с тяжелой травмой

Хирургический набор

В лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС, где Александр Левин рассказывает о прошедшей операции, стоят как минимум пять биопринтеров: два робота-манипулятора с разными печатающими головками, огромный бокс картезианского* 3D-биопринтера Fabion, о котором «Цифровой океан» рассказывал ранее (№ 13, август 2022), образцы компактных биопринтеров для печати на МКС в условиях микрогравитации, а еще небольшой биопринтер для печати съедобных продуктов в ресторане. И это лишь малая часть огромного разнообразия технологий биопечати.

Принципиально все они сводятся к одной задаче: расположить на плоскости (2D-биопечать) или в пространстве (3D-биопечать) заранее подготовленный биологический материал. Как правило, речь идет о культуре клеток, которая должна определенным образом прорасти: в ткань, органоид (простой функциональный аналог того или иного органа) или полноценный орган. Последнее пока недостижимо: даже если удастся напечатать сложную пространственную структуру десятками разных клеточных структур, нужно будет еще сделать так, чтобы в ней проросли сосуды и нервы — ​без этого живой орган не заработает.

Зато отдельные ткани и органоиды реально печатать уже сейчас. Ткани можно использовать в качестве готового трансплантата — ​«заплатки», способной закрыть раневую полость. По сути, это аналог рубцовой ткани, который со временем замещается кожей реципиента.

* Картезианскими называют 3D-принтеры, в которых электроприводы перемещают печатающую головку вдоль декартовых координат (от латинизированного имени Рене Декарта — ​Cartesius). К этому виду относится большинство недорогих бытовых 3D-принтеров.

В свою очередь органоиды позволяют проводить тестирование лекарств и медико-биологические опыты без необходимости работать с подопытными животными. Это не только гуманнее, но и значительно дешевле.

Технологии, созданные специалистами 3D Bioprinting Solutions и НИТУ МИСИС, подходят для обеих задач. Картезианский 3D-принтер Fabion может создавать «заплатки» для пересадки тканей и органоиды. Но для печати непосредственно на пациенте больше подходят роботы-манипуляторы: если мышь или минипига хоть как-то можно разместить внутри принтера, то с человеком проделать такое точно не удастся. Нужно больше рабочего пространства и свободы движений. Причем разработанный Александром Левиным робот решает еще одну важную проблему.

Подачу биополимера в рану программировал специалист МИСИС

Биопринтер, который использовался для операции на живом пациенте, имеет комбинированную печатающую головку — ​это ноу-хау российских разработчиков. Дело в том, что перед биопечатью компьютер должен рассчитать траекторию движения шприца, а для этого раневую поверхность нужно отсканировать. Если сканировать обычным ручным или стационарным сканером, то получившуюся картинку придется как-то сопоставлять с системой координат манипулятора — ​по масштабу, ориентации, точке отсчета. Это не всегда простая операция, и в нее может закрасться ошибка.

Комбинированная печатающая головка имеет встроенный сканер. И сканирование, и печать производятся в одной системе координат, с помощью одного и того же манипулятора. Головка представляет собой кожух, в котором установлены кронштейн для шприца с биочернилами, стереопара камер и лазер, который приводится в движение сервомотором.

Александр Левин, инженер лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС:

Теоретически этот самый робот уже сейчас может работать в больницах, и это даже будет стоить адекватных денег. Будущее технологии — ​печать гораздо более сложных структур, но перед этим биологам, инженерам и материаловедам еще предстоит пройти долгий путь. С другой стороны, скорость развития технологий в медицине постоянно растет. Сейчас робототехника, быстрое прототипирование и биоматериалы стали настолько доступными, что сложнейшие проекты по силам небольшим командам

Оперативная работа

Созданием биопринтеров занимаются сотни компаний по всему миру. Тем не менее первую операцию на живом человеке провели именно в России. Возможно, успех стал результатом нестандартного подхода. Чаще всего биопечать требуется биологам: ученые ищут способы управлять ростом клеточных культур, чтобы выращивать качественные ткани и органоиды. При этом робототехникам они заказывают сравнительно универсальные решения, нацеленные на ускорение лабораторных экспериментов.

В Университете науки и технологий МИСИС биопечатью занимается команда ученых, сфокусированных на решении практических задач. И одна из них — ​печать вне лаборатории. В операционной инженеры чувствуют себя увереннее биологов: они имеют возможность оперативно вносить изменения в программное обеспечение и настройки принтера или робота. Гибкость и скорость приобретают решающее значение, когда на кону человеческая жизнь.

Александр Левин, инженер лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС:

В каком-то смысле мне было легче работать в операционной, чем в лаборатории. Отчасти потому, что я понимал: сейчас я не абстрактную науку делаю, а помогаю конкретному человеку. Минипиги и мыши ведь не понимают, что с ними происходит. А человек осознает риск и необходимость вмешательства, понимает, что его лечат. Конечно, это колоссальная ответственность за результат

Читайте также, где, зачем и почему применяется 3D-печать: