Бүгінде 3D-принтермен тамыр, тері, сіңір, сондай-ақ кейбір органдарды жасауға болатын көпқабатты күрделі құрылымдарды әзірлеуге болады. «Биопринтинг» деп аталатын осынау технологиялық жаңалықтың принциптері мен болашағына үңіліп көрдік.
Жаңа құлақты он минутта жасайды
ХХ ғасырдың басында ғылым адамзатқа трансплантология атты жаңалықты тарту етті. Былай қарағанда, бәрі оп-оңай секілді: донорлық органды ал да, пациентке орналастыр – іс бітті. Бірақ біздің жасушаларымыз мембрананың беткі қабатына антиген «сарбаздарын» тізіп қояды. Егер иммундық жүйе қандай да бір «бөтен» дүниені байқаса, сол заматта қабыну реакциясын іске қосады. Т-киллерлер деп аталатын ақ қан түйіршіктері антидене-дрондарды шығарып, олар әлгі «бәрін шулатқан» бөтен жасушаларға жүзіп барады да, оның мембраналарына шабуылдап, шұрқ-тесік етеді. Әлсіз ағза өз ішіндегі мұндай конфликтерді көтере алмағандықтан, мұның соңы қайғылы жағдайларға, тіпті адам өліміне соқтырып жатады. Органның ағзаға үйренісуі, былайша айтқанда «тастай батып, судай сіңуі» өте қиын. Бірақ ендігі уақытта бұл қиындықты шешудің жаңа тәсілі бар: органды жасанды жолмен жасап шығаруға болады.
2022 жылы ғалымдар тұңғыш рет адамға 3D-принтерде басып шығарылған органды қондырды. Жиырма жастағы Алекса есімді мексикалық қыздың туабітті оң құлағы деформацияға ұшыраған екен. Мұны медицинада микротия дейді. Дәрігерлер имплантат жасау үшін қыздың өзінің жасушалары мен тіндерін пайдаланған. 3DBio Therapeutics атты америкалық компания Алексаның деформацияланған құлағының жарты грамм сіңірін алып, кейін 3D-принтер «биосия» деп аталатын жасушалардан жаңа құлақ басып шығарып берген. Бұл процеске бар-жоғы он минут уақыт кеткен. Бұған дейін осындай операциялар үшін пациент қабырғасынан құлақ формасында кесіліп алынған сіңір пайдаланып келген болатын.
Принтерден басып шығарылған құлақ тері астына орналасқан соң, өз бетімен сіңір тіндерін қалыптастыра бастайды. Нәтижесінде, жаңа орган адамның табиғи дене мүшесі секілді күйге енеді. Дәрігерлердің айтуынша, ағзаның мұндай органды қабылдамау ықтималдығы да өте төмен: себебі ол пациенттің өз жасушаларынан тұрады. Аталмыш операцияны Алексадан басқа 6 мен 25 жас аралығындағы он шақты науқасқа жасаған, енді олар бес жыл бойы ғалымдардың бақылауында болады.
Биопринтердің бірнеше түрі бар
Адам мүшелерін 3D-принтер арқылы шығаруға алғашқы талпыныс сонау 2000 жылы жасалған еді. Биоинженер Томас Боланд бұл үшін Lexmark және HP маркалы принтерлерді ДНҚ фрагменттерін жасауға бейімдеген. Ғалым процесс барысында жасушаларды сақтау үшін әдейі шүмегінің диаметрі үлкен құрылғыларды таңдаған. Сондай-ақ «сияның», яғни биоматериалдың температурасы мен қоймалжыңдығын басқара алу үшін софтты да модернизациялауға тура келген.
Бүгінде биопринтерлердің үш негізгі түрі бар. Оның ең кең таралған әрі сұранысқа ие түрі – бүріккіш принтер. Жұмыс істеу принципі жағынан ол кәдімгі типографиялық принтерлерге ұқсайды. Әдеттегі сияның орнына оны жасуша материалдарымен толтырады, ал қағаздың орнына гидрогельді электрлі төсем салады. Мұндай құрылғылардың құрылымы да, бағдарламалық жасақтамасы да қарапайым, құны басқаларға қарағанда арзанырақ, сапасы жоғары және жылдам. Онда жасушалар концентрациясын түрлендіруге де болады, бұл градиент жасауға мүмкіндік береді. Бүріккіш биопринтерлер көп материалмен үйлесе кетеді және онда жасушалардың тірі қалу ықтималдығы жоғары, алайда олар өнімді бір ғана жазықтықта, біртіндеп қабаттарды қосу арқылы басып шығарады.
Сонымен қатар микроэкструзия негізіндегі биопринтерлер де бар: яғни онда материалды үш ось бойынша бөлуге, сол себепті көлемді құрылымдар жасауға болады. Биоматериалдардың да көпшілігі бұл құрылғыға сәйкес келеді. Принтер гидрогельдермен де, полимерлермен де, сфероидтармен де жұмыс істей алады. Әйткенмен экструзиялы принтингтің негізгі кемшілігі – онда жасушалардың өміршеңдік көрсеткіші өте төмен.
Органдарды басып шығарудың тағы бір тәсілі – лазерлі әдіс. Оның механизмі лазер сіңіргіш қабаты бар төсем мен жасуша және гидрогельден тұратын биоматериалды төсемге лазер бағыттау арқылы іске асырылады. Бұл әдіс жасушалардың өміршеңдігіне кері әсер етпейді, дегенмен ақырғы өнімде металл қалдықтары қалып қалуы мүмкін.
Принтермен басып шығарылған құрылымдарды арнайы орында сақтайды, ол жерде әбден «пісіп-жетілген» соң, ағзаға орналастырады. Бұл кезең бірнеше аптаға дейін созылуы мүмкін.
Кейбір биопринтерлер зақымданған жерде-ақ коллагенмен орган басып шығара алады, мұндай жағдайда «пісіп жетілу» кезеңі керек емес.
3D-принтерлерге арналған биосия ретінде әдетте бағаналық жасушалар, шошқадан алынатын коллаген белогы немесе балдыр негізіндегі материалдар қолданылады. Бағаналық жасушалар – нағыз «құрылыс материалы», олардан тіндер өсіріп шығаруға болады, ал тіндерді мамандар өз кезегінде қажетті органға айналдыра алады.
Жасанды тері, жасанды мұрын, жасанды көз...
Бүгінде биопринтинг технологиясын жетілдіру үшін түрлі эксперименттер жасалуда. Осы бағыттағы негізгі жұмыстардың бірі – жасанды тері шығару, ол әсіресе денесінің көп бөлігі күйіп қалған пациенттерге пайдалы болмақ.
Биыл АҚШ-тағы Колумбия университетінің қызметкерлері «киіліп-шешілетін» жасанды терінің жобасын жасап шығарды. Оны зақымданған дене бөлігіне бірден кигізуге болады. Бұл амал тері ауыстыру кезіндегі кең тараған хирургиялық проблеманы шешуге көмектеседі: хирургтар әдетте трансплантатты әртүрлі формадағы кішкентай тері бөліктерінен құрап алатын. Ондай операциялар көп уақыт пен дәрігерлердің асқан шеберлігін талап ететін.
Карнеги-Меллон университетінің ғалымдары биопринтерден қан тамырларын жасауды үйренді. Принтерден мұндай өнімді басып шығарудың қиындықтары көп екен: мысалы, «биосия» ретінде пайдаланылатын коллаген, фибрин секілді материалдар өз салмағымен шөгіп кетеді. Бұл мәселені ғалымдар желатин микробөлшектері негізіндегі ерекше қоспаның көмегімен шешті. Нәтижесінде, басылып шыққан тығыз тіндерді әлдеқайда күрделі құрылымдар, соның ішінде жүрек басып шығаруға қолдануға болады.
Жүрек демекші, бүгінде толыққанды донор органды алмастыруға мүмкіндік беретін адам жүрегін жасап шығаруға әлем ғалымдары жұмыла еңбек етіп жатыр. Әзірге олар биопринтер арқылы тұтас жүректі емес, жүрек бөліктерін өндіруде. Гарвард университетінің құрамына кіретін Висса институты мамандары жүректің ұзын макрофиламенттерін басып шығарды. Бұл үшін зерттеушілер әрқайсысы екі микроскопиялық бағаннан тұратын 1050 шұңқыр тәрізді тін негізін жасаған. Әлгі шұңқырларды жас бағаналық жасушалармен толтырған, ал олар даму процесінде белгілі бір формаларғе ие болған. Принтерден шығарылған жіптерді жүрек талмасы немесе басқа да жүрек ақаулары салдарынан туындаған жарақаттарда қолдануға болады.
Fripp Design and Research ұйымының зерттеушілер тобы биопринтер арқылы пациент әйелге мұрын жасап берген, науқастың өз мұрнын 2002 жылы қатерлі ісік кесірінен кесіп тастаған екен. Имплантатты жасау үшін мамандар 3D-камераның көмегімен науқастың бетін түрлі бұрышта суретке түсірген. Одан соң деректерді компьютерлік бағдарламаға жүктеп, пациенттің бет пішініне, терісінің текстурасы мен түсіне толықтай сәйкес келетін мұрын моделін алған. Оны биопринтермен басып шығарып, пациентке сәтті импланттаған.
2021 жылы Лондонда дәрігерлер 40 жастағы ер адамға 3D-принтерден басып шығарылған көз протезін салған. Пациент 20 жылдан астам уақыт бойы ескі протезімен жүрген екен, алайда өзінің нағыз көзінен едәуір айырмашылығы байқалатын болған. Биопринтер жасап берген жаңа көзі оған сенімділік сыйлағанын айтқан.
Биопринтингте кім үздік?
Әлемде биопринтингпен айналысатын жүздеген ұйым бар. Олардың үштен бір бөлігіне жуығы АҚШ-та орналасқан. Былтыр 3D-биопринтинг нарығының көлемі 2,13 млрд долларды құраған, ал 2030 жылға қарай бұл көрсеткіш 8,3 млрд долларға жетуі мүмкін. Зерттеулер саны артқан сайын нарық та ұлғая бермек.
Биопринтинг саласындағы ең танымал компаниялардың бірі – Organovo, оның штабы АҚШ-тың Калифорния штатындағы Сан-Диего қаласында орналасқан. Бұл зертхана бастапқыда биопринтингке арналған тауар өндірумен айналысқан: фармацевтикалық компанияларға ғылыми және емдік мақсатта бауыр тіндерін жеткізіп беріп отырған. Бүгінде компанияның өзі жасап шығарған NovoGen MMX Bioprinter атты биопринтері бар.
Биопринтинг саласындағы маңызды істердің бірі – софт, яғни бағдарламалық жасақтама әзірлеу. Бұл бағыттағы көшбасшылардың бірі ретінде америкалық Allevi компаниясын атауға болады. Аталмыш компания Allevi Bioprint PRO атты cloud-платформа жасап шығарған, оны әлемнің кез келген бұрышынан пайдалануға болады.
3D-биопринтинг технологиясы адамзатқа үлкен мүмкіндіктер ұсына алатыны анық. Соның ішінде әсіресе ең назар аударарлығы – оны бұрындары трансплантологияны жүзеге асыру мүмкін емес болып келген жерлерде кәдеге жаратуға болады. Мәселен, әдетте онкологиялық ауруға шалдыққан адамдарға дәрігерлер донорлық органдарды ауыстырып сала алмайды, өйткені трансплантология алдында пациент ағзасы бөтен органды қабылдамай қоймас үшін оның иммунитетін қолдан төмендету керек. Онкология кезінде иммунитетті төмендету ісікті асқындырып жібереді. Ал науқастың өз жасушаларынан басып шығарылған органның мұндай жағымсыз әсері жоқ.
Биопринтинг саласында ғалымдар еңсеруі керек кедергілер де аз емес. Мысалы, 3D-принтерге биоматериал ретінде адам ағзасынан жасушалар алынады да, кейін соны бөлу арқылы негіз құрастырады. Алайда жасушалардың бөліну шегі бар, яғни шексіз бөлініп кете бермейді. Сондықтан ғалымдарға жүректің моделін әзірге тым шағын нұсқада ғана жасауға тура келіп тұр.
Ботагөз МАРАТҚЫЗЫ