Что такое 3D-биопечать?

Трехмерная биопечать (3D-биопечать) — это развивающаяся биомедицинская технология, использующая методы аддитивного производства для послойного нанесения биологических материалов с целью создания функциональных искусственных тканей и органов.

Живые клетки и компоненты внеклеточного матрикса могут наноситься («печататься») для формирования донорских органов, кожных трансплантатов (skin grafts) и сложных анатомических структур кожного покрова. 3D-биопечать, являясь передовым направлением создания биоинженерной кожи (bioengineered skin), обладает высоким потенциалом для моделирования патологических процессов, персонализированной терапии, доклинического тестирования лекарственных средств и стимуляции регенерации кожи. При этом эпидермальный, дермальный и подкожно-жировой слои могут воспроизводиться независимо друг от друга.

Как работает 3D-биопечать?

В основе 3D-биопечати лежат данные компьютерной томографии или оптического сканирования, позволяющие сформировать прецизионную цифровую 3D-модель целевой ткани или органа. Затем биопринтер послойно наносит живые клетки или композитные биоматериалы по заданной траектории, воспроизводя микроархитектонику нативной ткани.

После завершения процесса биопечати полученный тканевый конструкт помещают в биореактор — среду с регулируемыми параметрами, стимулирующую клеточное созревание. Клетки формируют межклеточные контакты и дифференцируются, образуя функциональную ткань или орган, пригодный для трансплантации, пластики дефектов или научно-исследовательских задач.

Исходные субстанции, используемые для 3D-биопечати («биочернила»), включают три основных компонента: клетки, биоматериалы и ростовые факторы:

  • Клетки: кератиноциты, дермальные фибробласты, хондроциты, остеоциты, кардиомиоциты, гепатоциты, клетки островков поджелудочной железы, нейроны и эндотелиоциты сосудов;
  • Биоматериалы: гидрогели, децеллюляризованный внеклеточный матрикс (dECM) или биодеградируемые синтетические полимеры, выполняющие роль временного матрикса (скаффолда) для адгезии и пролиферации клеток;
  • Факторы роста: сигнальные пептиды, такие как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и трансформирующий фактор роста-бета (TGF-beta), стимулирующие деление клеток, ангиогенез и тканеспецифическую дифференцировку.

Каковы области применения 3D-биопечати в дерматологии?

Кожные трансплантаты

Синтетические и тканеинженерные эквиваленты кожи, созданные методом 3D-биопечати, могут применяться у пациентов с обширными ожогами, хроническими язвами и ранами (wounds), тяжелой механической травмой и дефектами кожного покрова, требующими пластического закрытия (skin grafts).

Биоинженерные эквиваленты кожи, содержащие стволовые клетки жировой ткани и кератиноциты человека, продемонстрировали высокую эффективность при лечении диабетических язв (diabetic wounds), существенно ускоряя эпителизацию и заживление по сравнению со стандартными перевязочными материалами.

Тестирование лекарственных средств

3D-печатные модели кожи человека используются для оценки профиля безопасности, токсичности и терапевтической эффективности новых фармакологических субстанций и косметических средств. Это снижает потребность в тестировании на лабораторных животных и ускоряет внедрение лекарственных препаратов в клиническую практику.

Моделирование дерматологических заболеваний

Биопечатные эквиваленты кожи создаются для углубленного изучения патогенеза дерматозов, включая атопический дерматит (atopic dermatitis / экзему), псориаз (psoriasis) и злокачественные новообразования кожи (skin cancer). Высокая воспроизводимость таких моделей оптимизирует скрининг таргетных молекул. В частности, разработаны модели:

  • Псориаза — с воспроизведением выраженной гиперплазии эпидермиса (акантоза) и инфильтрации ткани провоспалительными клетками;
  • Атопического дерматита — с имитацией Th2-опосредованного воспаления и дисфункции эпидермального барьера (barrier failure).

Персонализированная медицина

Возможно создание клеточных моделей с фенотипическими и генетическими характеристиками конкретного пациента, что позволяет разрабатывать таргетные схемы лечения с учетом фототипа и функционального состояния кожи. Пациент-специфичные 3D-модели кожи применялись для разработки:

  • Инновационных методов генной и клеточной терапии врожденного буллезного эпидермолиза (epidermolysis bullosa);
  • Персонализированных протоколов иммунотерапии меланомы (immunotherapy for melanoma).

Заживление ран

Методом 3D-биопечати формируются пористые каркасы-скаффолды, предназначенные для имплантации в ложе длительно незаживающих ран для стимуляции ангиогенеза и направленной тканевой регенерации.

  • В экспериментальных исследованиях на мышиных моделях зафиксировано значительное ускорение репаративных процессов.
  • Способность 3D-скаффолдов поддерживать неоваскуляризацию и активное деление клеток кожи подтверждает перспективы метода в терапии тяжелых раневых дефектов.

Недерматологические области применения 3D-биопечати

Создание донорских органов для трансплантации

По мере решения технических и биоэтических задач 3D-биопечать с использованием собственных клеток реципиента позволит производить органы для трансплантации, что исключит:

  • Дефицит донорских органов;
  • Риск иммунного отторжения аллотрансплантата;
  • Необходимость пожизненной иммуносупрессивной терапии и ассоциированные с ней риски.

Реконструкция поврежденных тканей

Фрагменты костной ткани, созданные методом 3D-биопечати, уже успешно применяются в клинической ортопедии и челюстно-лицевой хирургии. Биопринтированные фрагменты хрящей, кожи и сосудистых магистралей могут использоваться для устранения дефектов после травм или резекции опухолей, а также коррекции врожденных аномалий. В экспериментах на животных получены жизнеспособные васкуляризованные структуры ушных раковин, нижней челюсти и мышечной ткани.

Фармацевтическая разработка

3D-модели органов («орган-на-чипе») применяются для исследования фармакокинетики и фармакодинамики лекарственных веществ. Микроструктурные модели ткани печени, миокарда и почечных канальцев показали высокую надежность при ранней оценке органотоксичности потенциальных фармпрепаратов.

Потенциальные преимущества 3D-биопечати

  • Уменьшение потребности в заборе аутологичных кожных лоскутов и травматизации донорских зон;
  • Оптимизация и ускорение репарации хронических и обширных ран;
  • Возможность прецизионного подбора терапии в рамках персонализированной медицины;
  • Углубление фундаментальных знаний о биологии кожи и патогенезе дерматозов;
  • Этическое сокращение масштабов доклинических испытаний на животных.

Потенциальные недостатки и ограничения

Поскольку технология 3D-биопечати находится на этапе активных клинических и лабораторных исследований, ее ограничения включают:

  • Высокую себестоимость оборудования и расходных материалов;
  • Ограниченную масштабируемость и дефицит стандартизированных биоматериалов («биочернил»);
  • Узкий спектр биосовместимых полимеров с оптимальными реологическими свойствами;
  • Сложность инженерных и клеточных протоколов, ограничивающую внедрение технологии пределами профильных научно-исследовательских институтов;
  • Регуляторные и правовые сложности: отсутствие стандартизированных протоколов контроля качества и безопасности тормозит выход тканеинженерных продуктов на рынок;
  • Биоэтические аспекты печати полноценных функциональных органов человека.

Потенциальные риски и побочные эффекты

К рискам и нежелательным явлениям применения биопринтированных тканей относятся:

  • Биологическая небезопасность: риск микробной контаминации на этапе культивирования или запуск иммунного ответа на биоматериалы скаффолда;
  • Неполная васкуляризация, некроз или дисфункция имплантированного клеточного матрикса.

Противопоказания к 3D-биопечати

Специфические медицинские противопоказания к применению биопринтированных конструктов в настоящее время окончательно не сформированы.

Библиография

  • Beheshtizadeh N, Lotfibakhshaiesh N, Pazhouhnia Z, et al. A review of 3D bio-printing for bone and skin tissue engineering: a commercial approach. J Mater Sci. 2020;55:3729–3749. doi: 10.1007/s10853-019-04259-0. Journal
  • Derby B. Printing and Prototyping of Tissues and Scaffolds. Science. 2012;338(6109):921–926. doi: 10.1126/science.1226340. Journal
  • De Oliveira RS, Fantaus SS, Guillot AJ, et al. 3D-Printed Products for Topical Skin Applications: From Personalized Dressings to Drug Delivery. Pharmaceutics. 2021; 13(11):1946. doi: 10.3390/pharmaceutics13111946. Journal
  • Kang H, Lee S, Ko I, et al. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat Biotechnol. 2016;34:312–319. doi: 10.1038/nbt.3413. Journal
  • Mandrycky C, Wang Z, Kim K, Kim DH. 3D bioprinting for engineering complex tissues. Biotechnol Adv. 2016;34(4):422–434. doi: 10.1016/j.biotechadv.2016.02.006. Journal
  • Matai I, Kaur G, Seyedsalehi A, et al. Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering. Biomaterials. 2020;226:119536. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119536. Journal
  • Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol. 2014;32(8):773–785. doi: 10.1038/nbt.2958. Journal
  • Rimann M, Bono E, Annaheim H, et al. Standardized 3D Bioprinting of Soft Tissue Models with Human Primary Cells. J Lab Autom. 2016;21(4):496–509. doi: 10.1177/2211068214567146. Journal
  • Weng T, Zhang W, Xia Y, et al. 3D bioprinting for skin tissue engineering: Current status and perspectives. Biomed Pharmacother. 2021;12:20417314211028574. doi: 10.1177/20417314211028574. Journal
  • Zhang B, Luo Y, Ma L, et al. 3D bioprinting: an emerging technology full of opportunities and challenges. Bio-Design and Manufacturing. 2018;1(1):2–13. doi: 10.1007/s42242-018-0004-3. Journal