Показатели смертности в России и в мире вследствие дефицита донорских органов и сложности их эксплуатации из-за отторжения трансплантата постоянно увеличиваются. Содействие в решении данной проблемы может оказать 3D-биопечать органов и тканей. В данной статье рассматриваются перспективы развития данного направления, а также другие его аспекты (общие сведения, механизм действия, виды, материалы, применение, достижения) и демонстрируются результаты опросов и презентации, проведенных среди учеников средних и старших классов.
Ключевые слова : 3D-биопечать, печать органов, перспективы развития, органы и ткани.
Общие сведения и механизм действия
Объектом настоящего исследования является технология 3D-биопечати. Таким образом, под ней понимают послойную, роботизированную биофабрикацию трехмерных органных и тканевых конструкций (в т. ч. скаффолдов) на основе цифровой модели с использованием живых клеток [5, 7]. При этом слои материала (биочернила [3], имеющие много разных источников получения и пользующиеся большим спросом вследствие своих эффективности и экологичности [8]) поочередно соединяются между собой различными способами [1]. Процесс происходит на 3D-биопринтере и состоит из нескольких этапов [5, 6, 10].
Виды биопечати
Наиболее распространенными видами этой технологии являются струйная, лазерная и экструзионная биопечать [1, 5, 10].
Струйная биопечать происходит от обыкновенных настольных принтеров, заменив чернильные картриджи специализированными биочернилами для печати живыми клетками на 3D-подложке [1]. В данном методе используются сопла, которые под давлением и внешним контролем преобразуют биочернила в капли [6, 9], которые, в свою очередь, вводятся в суспензию или питательные среды.
При лазерной биопечати одиночные клетки или тканевые сфероиды переносятся непосредственно лазером (при этом вызывая локальное и быстрое испарение жидкости) на полимерную подложку любой вязкости (как правило, гель), что позволяет с высокой точностью разместить их в пространстве без использования форсунок [2].
Биопечать на основе экструзии — наиболее распространенная технология биопечати, использующая механические сжатия или пневматическое давление воздуха для непрерывного извлечения биочернил из сопла и их нанесения на 3D-подложку [1, 5, 9, 10].
Материалы для биопринтинга
В качестве поддерживающих материалов используют биоматериалы разного происхождения: природного (агароза, желатин, фибрин, фибриноген и др.), синтетического (полиэтиленгликоль, матригель и т. д.) или смешанного [3, 5, 8, 11].
В большинстве случаев применяют гидрогели на основе природных биополимеров. Они цитосовместимы, биоразлагаемы и способны удерживать большое количество воды [3, 5, 8, 11].
Применение и достижения биопечати
Технологии биопечати практикуются в печати органов и тканей из живых клеток для регенеративной медицины [6, 7, 8, 9] и доставке лекарств [7, 8].
Распространенным подвидом регенеративной медицины является тканевая инженерия [5], в которой применяются как синтетические, так и натуральные биополимеры, а также скаффолды (каркас для будущей 3D-модели) для воссоздания поврежденных поверхностей [6, 8]. Сейчас появилась возможность использовать больший печень натуральных биополимеров (альгинат, метиллцеллюлоза, агароза, желатин), а также синтетические материалы (таким образом получают «неокожу») [7].
Биопечать органов — перспективный метод «биоинжиниринга» [7]. На данный момент удалось синтезировать костную ткань, нервы, почку, печень, поджелудочную железу, роговицу, кишечник, легкие и многие другие 3D-модели [6, 9].
Некоторые биополимеры, такие как арабиноксилан, ксантановая камедь и хитозан, продемонстрировали революционный потенциал в области доставки генов, молекул и биологических агентов [8] через кровь, активация которых регулируется с помощью температуры, рH среды и концентрации ионов [8]. Их используют ввиду хорошей биоактивности, низкой цитотоксичности, технологичности и пригодности к переработке [7].
В этой области было получено большое число достижений в таких сферах, как регенеративная медицина, трансплантология и иммунология. Среди наиболее значимых можно выделить следующие: развитая печать донорских органов и тканей [6, 7, 8, 9], значительное продвижение в исследовании иммунного ответа [4] и т. д.
Перспективы развития направления
Рассматриваемое направление выглядит многообещающим, в перспективе включая более эффективное усвоение биопечатных моделей и снижение иммунной реакции [6].
В будущем имплантация полнофункциональных и полноразмерных напечатанных тканей и органов в человеческий организм станет частью клинической практики, что приведет к быстрому росту рынка. В случае масштабирования этой технологии можно ожидать сокращения очередей на трансплантацию органов и снижения цен на них, а также решения проблемы иммунного отторжения, что значительно увеличит продолжительность жизни. В ближайшем будущем технология 3D-биопринтинга будет иметь больше возможностей для улучшения качества и свойств продукта, а также его использования при разумных затратах (излагается по [4])
Материалы и методы
Целью исследовательской части данной работы является демонстрация перспектив развития 3D-биопечати.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи :
- Провести социальный опрос среди учеников 10-ых классов Сеченовского Предуниверсария и школы № 1505 «Преображенская».
- Подготовить и рассказать презентацию на тему «3D-биопечать: перспективы развития» ученикам средней школы № 1505 «Преображенская» и составить подробный конспект открытого урока.
Для этого были использованы следующие методы: анализ, наблюдение и фокус-групповое исследование.
Материалами являются мультимедийная презентация на тему «3D-биопечать: перспективы развития», а также подробный конспект открытого урока для учителей.
С целью решить поставленные задачи были совершены следующие действия.
Участникам опроса был задан следующий перечень вопросов, касающихся их мнения относительно перспективности 3D-биопечати:
— Как хорошо вы знаете, что такое 3D-биопечать органов и тканей?
— Оцените ваше понимание темы по шкале от 1 до 10 (1 — не разбираюсь в теме, 5 — понимаю в общих чертах, 10 — разбираюсь в теме).
— Как вы считаете, обладает ли 3D-биопечать перспективами в будущем и стоит ли затрачивать ресурсы на ее дальнейшее развитие?
— Оцените перспективность 3D-биопечати от 1 до 10 (по вашему мнению).
— В нескольких словах опишите, что вы знаете о данной технологии.
— Почему вы ответили на 2 последних вопроса именно таким образом (т. е. почему развивать 3D-биопечать стоит или, наоборот, не стоит)?
— Хотели бы вы узнать больше о данной технологии?
Ответы были проанализированы, и в итоге получены результаты, описанные в следующем параграфе.
Ученикам школы № 1505 «Преображенская» также была рассказана презентация на тему «3D-биопечать: перспективы развития».
Результаты и обсуждение
В опросе, проведенном среди учеников Сеченовского Предуниверсария, поучаствовало 56 человек. Были получены следующие результаты.
Респонденты, примерно половина которых неплохо разбирается в теме, крайне положительно оценили перспективность 3D-биопечати в будущем. Большая часть участников приводила такие аргументы, как: с помощью биопринтинга можно печатать органы и ткани, необходимые для трансплантологии, что значительно увеличит число спасенных жизней. В своих ответах они также упоминали большие перспективы данной технологии и важную роль в медицине.
Среди учеников школы № 1505 «Преображенская» был проведен открытый урок на тему «3D-биопечать: перспективы развития».
Перед занятием респондентам были заданы вопросы на понимание этой темы, в котором поучаствовало 28 человек. Исходя из полученных результатов, большая часть учеников перед презентацией плохо знали тему или понимали ее в общих чертах. Большинство участников на вопрос об их знаниях относительно этой технологии ответили, что 3D-биопечать применяется для печати органов и тканей, которые впоследствии могут быть использованы для трансплантации в тело человека. Некоторые также упоминали, что органы и ткани печатаются из живых клеток, взятых у донора, и биоматериала; процесс осуществляется послойно; данная технология применяется в медицине и научных исследованиях и т. д.
По окончании презентации учителем обществознания и истории средней школы № 1505 Кирилловым Дмитрием Анатольевичем, присутствовавшим на открытом уроке, была написана рецензия на исследовательскую работу и презентацию, а также проведен еще один опрос, касающийся мнения учеников относительно перспективности 3D-биопечати, результаты которого изложены ниже.
Учащиеся положительно оценили перспективность исследуемого направления и изъявили желание погружаться в эту проблематику в дальнейшем. На вопрос о причинах их ответа они высказали мысль о том, что, с одной стороны, данная технология поможет спасти много жизней и повысит их качество; появится возможность печатать донорские органы и ткани, а также она значительно модифицирует область науки. Однако, с другой стороны, некоторые негативно отзывались о 3D-биопечати, ссылаясь на аморальность пересаживания напечатанных органов человеку, а также, по их мнению, незначительные успехи на данный момент.
Полученные результаты представлены в виде таблицы 1 (см. ниже).
Таблица 1
|
Заданный вопрос |
РЦ «Медицинский Сеченовский Предуниверсарий» |
Школа № 1505 «Преображенская» |
|
Как хорошо вы знаете, что такое 3D-биопечать органов и тканей? |
47,2 % — «Понимаю в общих чертах»; 41,7 % — «Где-то об этом слышал; 8,3 % — «Я не знаком с этой технологией»; 2,8 % — «Я разбираюсь в теме» |
35,7 % — «Я не знаком с этой технологией»; 32,1 % — «Понимаю в общих чертах»; 28,6 % — «Где-то об этом слышал»; 3,6 % — «Я разбираюсь в теме» |
|
Оцените ваше понимание темы по шкале от 1 до 10 |
47,2 % — 5; 16,7 % — 3; 8,3 % — 2, 4 и 6; 5,6 % — 7; 2,8 % — 8 и 9 |
17,9 % — 1, 4 и 6; 14,3 % — 2 и 5; 10,7 % — 3; 5,6 % — 7; 3,6 % учеников — 7 и 8 |
|
Как вы считаете, обладает ли 3D-биопечать перспективами в будущем и стоит ли затрачивать ресурсы на ее дальнейшее развитие? |
97,2 % — «Определенно, да. Это очень важно для медицины и человечества в целом» |
82,1 % — «Определенно, да»; 14,3 % — «Не уверен(а), так как неэтично пересаживать человеку напечатанные органы»; 3,6 % — «Скорее нет, чем да» |
|
Оцените перспективность 3D-биопечати от 1 до 10 |
58,3 % — 10; 19,4 % — 9; 13,9 % — 8; 8,3 % — 7 |
53,6 % — 10; 25 % — 9; 3,6 % — 5 и 7 |
|
Почему вы ответили на 2 последних вопроса именно таким образом? |
Печать органов и тканей, увеличение числа спасенных жизней и их качества, важная роль в медицине |
Много спасенных жизней, печать органов и тканей, модификация области науки, аморальность пересадки |
|
Хотели бы вы узнать больше о данной технологии? |
86,1 % — «Да»; 11,1- «Затрудняюсь ответить»; 2,8 % (собственный вариант ответа) — «Большое да, чем нет». |
85,7 % — «Да»; 14,3 % — «Затрудняюсь ответить» |
Выводы
Исходя из полученных результатов проведенной работы с учениками Сеченовского Предуниверсария, школы № 1505 «Преображенская» и самостоятельного изучения материала, можно сделать вывод о том, что 3D-биопечать обладает большими перспективами в будущем, и на ее развитие стоит затрачивать ресурсы. Данная технология очень важна для медицины и человечества в целом, так как поможет спасти множество жизней и улучшить их качество вследствие возможности печатать органы и ткани, которые могут быть использованы для имплантации в организм человека.
Литература:
- Биопринтинг в медицине. Особенности и перспективы использования / А. А. Полянская, Д. Б. Гиркина, Е. А. Стерлева, О. В. Кузнецова, Ю. А. Сергеев // Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» — 2022 г. — № 1 — с. 85–103
- Егоров К. Н. Аддитивные технологии в медицине: области и технологии применения, преимущества, недостатки и перспективы развития / К. Н. Егоров, С. А Егорова., В. Г. Петрякова // НИЦ Вестник науки — 2021 г. — с. 21–41
- Природные полимеры для 3D-биопечати органов / Г. А. Срослова, Ю. А. Зимина, Е. Н. Несмеянова, М. В. Постнова // Природные системы и ресурсы — 2019 г. — Т.9, № 4 — с. 30–40
- Фабио Батиста Мота Перспективы биопечати тканей и органов (по итогам глобального опроса ученых) / Фабио Батиста Мота, Луиза Амара Масьель Брага, Бернардо Перейра Кабраль, Карлос Гилберт Конте Филью // ФОРСАЙТ — 2022 г. — Т. 16 № 1 — с. 6–20
- Хесуани Ю. Дж. Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати / Ю. Дж. Хесусни, Н. С. Сергеева, В. А. Миронов, А. Г. Мустафин, А. Д. Каприн // Гены & Клетки — 2018 г. — Том XIII № 3 — с. 38–45
- Chliara M. A. Bioprinting on Organ-on-Chip: Development and Applications / M. A. Chliara, S. Elezoglou, I. Zegioti // Biosensors — 2022 г. — № 12 — с. 1–25
- Chunxu Li Advances in Medical Applications of Additive Manufacturing/ Li Chunxu, Pisignaro Dario, Zhao Yu, Xue Jiajia // Engineering — 2020 г. — № 6 — с. 1222–1231
- Dhinakaran Veeman Additive Manufacturing of Biopolymers for Tissue Engineering and Regenerative Medicine: An Overview, Potential Applications, Advancements, and Trends / Veeman Dhinakaran, Sai M. Swapna, Sureshkumar P., Jagadeesha T., Natrayan L., Ravichandran M., Mammo Wubishet Degife // International Journal of Polymer Science — 2021 г. — с. 1–20
- Hau Yin Lam Ethan 3D Bioprinting for Next-Generation Personalized Medicine / Ethan Hau Yin Lam, Fengqing Yu, Sabrina Zhu, Zongjie Wang // International Journal of Molecular Sciences — 2023 г. — № 24 — с. 1–21
- Jean-Claude André From Additive Manufacturing to 3D/4D Printing 3 / André Jean-Claude // London: ISTE Ltd, 2018 г. — 473 с. — ISBN 978–1–78630–232–8
- Selcan Gungor-Ozkerim P. Bioinks for 3D bioprinting: an overview / P. Selcan Gungor-Ozkerim, Ilyas Inci, Yu Shrike Zhang, Ali Khademhosseinia, Mehmet Remzi Dokmecia // Biomater Sci — 2018 г. — № 6 — с. 915–946
