«Серьезный вызов даже для передовых технологий»
Что говорят эксперты о перспективах применения биопринтинга в российской и мировой медицине
За последние несколько лет было совершено множество открытий в сфере биопечати частей тела человека. «РБК Тренды» расспросили специалистов в этой области и выяснили, что происходит на мировом рынке 3D-биопринтинга и нашла ли эта технология применение в России.
Официально отцом 3D-печати считается американский изобретатель Чарльз (Чак) Халл, который представил эту технологию в 1983 году. Однако первое подобие 3D-принтера появилось еще в 1981 году, изобрел его японец Хидео Кодама, и он же первым подал заявку на патент технологии (только вот не предоставил в нужный срок все необходимые документы).
В 1980–1990-х годах были запатентованы еще несколько видов трехмерной печати, а на рынке стали появляться первые компании-игроки в этой сфере, такие как Stratasys и 3D Systems Corporation, которые сохраняют свои лидерские позиции и в наше время.
Уже в 1999 году группа ученых и врачей института регенеративной медицины Уэйк Форест (США) имплантировала пациенту мочевой пузырь, выращенный в лаборатории на основе собственных клеток больного. Это был первый случай создания точной копии органа человека с помощью компьютерной томографии и 3D-принтера.
Как происходит процесс 3D-биопечати
Биопринтинг в целом работает по тому же принципу, что и обычная 3D-печать. Процесс состоит из нескольких этапов, где сначала создается трехмерная цифровая модель, конвертируется в формат для системы принтера, нарезается на слои, а затем происходит сама печать по одной из нескольких технологий.
При создании модели используются компьютерная и магнитно-резонансная томографии: они создают двумерные срезы анатомической структуры.
Биопринтер печатает живыми клетками по коллагеновой матрице. Врачи получают клетки от пациента, а затем размножают их в инкубаторе, чтобы создать достаточно материала для печати. При этом некоторые клетки, такие как тельца крови или кардиомиоциты, тяжело размножить, поэтому их выращивают из стволовых клеток. Клетки послойно накладываются на гидрогель (специальный биоразлагаемый полимер).
Именно тот факт, что используются клетки самого пациента, позволяет достичь лучшей приживаемости созданного органа в его теле.
Мировой рынок 3D-печати в медицине
Аддитивные технологии (метод создания трехмерных объектов, он же 3D-печать) сегодня применяются практически во всех сферах: от архитектуры до аэрокосмической и оборонной промышленности. В 2022 году мировой рынок 3D-печати оценили в $18,33 млрд. Согласно Coherent Market Insights, на сегмент здравоохранения приходилось $1,87 млрд, но к 2031 году сумма может вырасти до $7,5 млрд. Наибольшую долю рынка в 2023 году занимали США (33,6%). Второе и третье места принадлежали Европе и Азиатско-Тихоокеанскому региону.
Технология 3D-печати имеет несколько применений в секторе здравоохранения. Условно направления можно разделить на печать различных видов протезов, в том числе зубных имплантатов и слуховых аппаратов, и на печать органов для имплантации.
Кроме того, существуют несколько компаний, которые сосредоточились на печати органов (таких как печень и щитовидная железа) для доклинических испытаний лекарств.
Исследователи уже освоили печать «плоских» биоматериалов, например кожи или хрящевой ткани, и занимаются клиническим внедрением ее результатов. Так, два года назад американские ученые напечатали ухо и имплантировали его живому человеку. Второй этап подразумевает освоение производства полых трубчатых органов, таких как кровеносные сосуды, элементы пищевода, кишечника, трахеи, периферической нервной системы. На этой стадии как раз и находится большинство исследовательских групп.
Российский рынок биопринтинга
Согласно исследованию компании NeoAnalytics, в 2022 году объем рынка аддитивных технологий в России составлял около $4 млрд. При этом страна занимала лишь девятое место в мире по числу патентов в этой сфере. В июле 2021 года правительство РФ утвердило «Стратегию развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года», согласно которой до конца этого десятилетия в стране будут созданы около 180 центров аддитивных технологий.
В 2016 году Минюстом РФ была зарегистрирована Ассоциация специалистов по 3D-печати в медицине. В 2023 году в стране, по данным «Коммерсанта», поставками для исследований биопринтинга человека занимались около 15 компаний. Представитель Top3DGroup Антон Теплухин рассказывал, что только их компания оснастила биопринтерами и материалами для биопечати уже пять госучреждений и несколько коммерческих лабораторий. При этом в планах компании на прошлый год были еще семь поставок в учебные заведения.
Изучением возможностей биопринтинга занимаются многие российские научные институты. Так, в 2020 году был основан НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСиС, в котором проводятся исследования в области 3D-биопринтинга. Благодаря разработкам его ученых в декабре 2023 года российские хирурги впервые в мире напечатали ткани прямо на ране пациента во время операции.
Активные исследования в этом направлении проводит и Сеченовский университет, причем на международном уровне: в 2023 году вуз подписал соглашение с китайскими коллегами о создании совместных лабораторий трехмерного биопринтинга и регенеративной медицины.
Сферы применения 3D-печати
Стоматология
Иван Юрченко, отоларинголог и пластический хирург в клинике Seline, в беседе с «РБК Трендами» заявил, что флагманом в области применения 3D-печати в медицине выступает стоматологическая сфера. «Еще до момента непосредственной операции хирург назначает пациенту компьютерную томографию, на основе которой готовится 3D-визуализация. Особенно это важно в случае с ринопластикой. Картинку с экрана для большей наглядности можно перевести в макет, распечатав на 3D-принтере, — так хирург сможет в реальном времени сверяться с тем, что ему нужно исправить», — объясняет эксперт.
Со своей стороны, Руслан Майсаров, специалист по ортопедической и эстетической стоматологии в клинике «ИДЕНТИ», считает, что «3D-печать помогает восстановить утраченную эстетику и функцию жевания, воссоздавая структуры лица и челюсти».
Майсаров рассказал «РБК Трендам», что современные сканеры позволяют направить цифровую копию зубов и челюстей в зуботехническую лабораторию, где на 3D-принтере будут напечатаны диагностические модели (ранее они отливались из гипса). Такая копия позволяет стоматологу-ортопеду воссоздать утраченную форму зубов и наглядно продемонстрировать пациенту будущий результат лечения. К тому же напечатанные на принтере коронки используются в качестве временных конструкций в период адаптации пациента.
Диагностические модели для планирования долгосрочного лечения могут использовать и ортодонты. Помимо этого, популярные в последнее время элайнеры (прозрачные ортодонтические каппы для исправления прикуса) также печатаются на 3D-принтере.
Стоматологи-хирурги в своей работе также используют 3D-технологии — для печати хирургических шаблонов: они позволяют заранее спрогнозировать место установки имплантатов в костные структуры. Кроме того, по словам Майсарова, технология активно применяется в челюстно-лицевой хирургии. 3D-печать позволяет быстро и точно воссоздать отдельные костные структуры, в том числе и всю нижнюю челюсть.
Пластическая хирургия
Доктор Юрченко говорит, что 3D-печать уже применяется в хирургии, но пока в использовании технологии печати лицевых имплантатов есть ряд сложностей: «Конечно, более-менее универсальные модели из полимеров сейчас производят различные компании — и чаще всего в США. Однако я неоднократно сталкивался с необходимостью «подгонять» такой имплантат, чтобы он зафиксировался на месте и идеально подошел по форме к кости носителя — особенно это актуально для имплантатов подбородков и скул. Еще сложнее, если нужен имплантат больше стандартного размера, которого нет в линейке производителя. Поскольку это приходится делать в режиме реального времени, работа над подгонкой имплантата неизбежно увеличивает время операции. А значит, и время пребывания пациента под наркозом».
Юрченко объясняет, что изготавливают такие имплантаты из вспененного полиуретана — по структуре он напоминает губку, и эта фактура позволяет ему «врасти» в окружающие ткани. Подбородочный и скуловой имплантаты из такого материала даже не требуется фиксировать дополнительно: имплантат окружает фиброзная капсула, и он остается на месте. Важно отметить, что полимеры инертны для иммунной системы.
Хирургия и трансплантология
Научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Петр Тимашев рассказал РБК, что применение технологии 3D-биопечати может решить проблему нехватки донорских органов и улучшить процесс трансплантации.
В Сеченовском университете проводятся исследования биосовместимости и применимости искусственных аналогов на животных. Тимашев говорит, что в условиях in vivo (испытания, проводимые на живом существе) уже получены данные об эффективности и безопасности биоэквивалентов барабанной перепонки, кожи, хряща, голосовой складки и уретры. В рамках клинического исследования именно искусственный аналог уретры был успешно трансплантирован пациенту. Также в феврале 2024 года в Сеченовском университете лабораторной мыши пересадили фрагмент печени, напечатанной на биопринтере.
Профессор Тимашев рассказал РБК, что для печати органов используются биосовместимые материалы, такие как натуральные гидрогели (коллаген, фибрин, гиалуроновая кислота) и синтетические полимеры, которые зачастую обеспечивают более высокую «прочность» напечатанного конструкта. Также в состав обязательно входят клетки (различные типы в зависимости от вида ткани) и биологически активные соединения, способствующие формированию функциональной ткани.
В Сеченовском университете в 2023 году был напечатан искусственный аналог живой человеческой ткани на основе двух типов клеток из жировой ткани и слизистой оболочки десны. Разработка позволит лечить диабетические и трофические язвы, незаживающие раны, ожоги и другие дефекты.
Протезирование
Андрей Давидюк, генеральный директор компании «Моторика», убежден, что 3D-печать — один из главных драйверов развития функциональных протезов верхних конечностей: в первую очередь бионических протезов. С ее помощью, по словам собеседника РБК, создается практически вся известная сегодня бионика.
«Моторика» использует 3D-печать для создания протезов пальцев, кисти и предплечья. В основе технологии лежит принцип выборочного лазерного спекания (selective laser sintering), а в качестве материала применяется белый полиамид — легкий и прочный пластик, который хорошо поддается покраске.
Детское протезирование, по мнению Давидюка, было бы невозможно в промышленном масштабе без 3D-печати. Поскольку детям протезы нужно менять раз в год, их быстрее и дешевле напечатать, чем делать вручную. Небольшой вес изделий из полиамида позволяет протезировать детей с двух лет.
Вызовы и барьеры для развития 3D-печати
Несмотря на значительный прорыв в биопринтинге, у технологии все еще есть свои ограничения. Основными из них остаются проблемы с правовым и финансовым регулированием и высокая стоимость технологии. Эксперты отмечают дороговизну не только самих 3D-принтеров, но и их обслуживания, а также программного обеспечения. Кроме того, среди сдерживающих факторов можно выделить отсутствие стандартизированных методов тестирования материалов и высокую стоимость сырья.
Профессор Петр Тимашев считает: «Несмотря на высокий потенциал технологии трехмерного биопринтинга, будет сложно воссоздать органы со сложной структурой, такие как мозг или почку. Они имеют сложную архитектуру и выполняют множество функций, что делает их создание серьезным вызовом даже для передовых технологий».
Отоларинголог и пластический хирург Иван Юрченко отмечает, что для развития аддитивных технологий существует барьер в виде регистрации медицинских материалов и изделий в Росздравнадзоре, которая стоит от 2 млн руб. «Однако в случае с печатью достаточно будет зарегистрировать одно сырье, которое пройдет все исследования и будет официальным для всей страны, и печатать имплантаты из него», — дополняет эксперт.
Еще одной проблемой для рынка российских аддитивных технологий остается тот факт, что отечественное производство до сих пор преимущественно основано на зарубежной сырьевой и элементной базе. И несмотря на большое количество разработок российских ученых, их тяжело вывести на производственный масштаб.
Иллюстрация: Midjourney