Людські органи на принтері, роботизовані протези і 3D-моделі частин тіла: медицина майбутнього в Україні та світі

Тетяна Колісник, «Ваше здоров'я»

За останні кілька років адитивні технології (3D-друк) упевнено перекочували з галузі наукової фантастики в медицину. За інформацією науково-дослідницької компанії Gartner, у 2016 році світові витрати на медичні продукти, які виготовляються за допомогою 3D-друку, досягли 660 млн дол.

Технологію виготовлення фізичних тривимірних об’єктів із використанням цифрових даних розробив американець Чарльз Халл у 1984 році. Через два роки її запатентували і дали назву «Стереолітографія». Після цього винахідник заснував компанію 3D Systems і розробив перший промисловий апарат для 3D-друку, але тільки у 2000-х почалася активна інтеграція адитивних технологій у медицину.

У сучасній медицині застосування тривимірних технологій розвивається в кількох нап­рямках. Зокрема це сканування органів за допомогою комп’ютерної томографії (КТ) та магнітно-резонансної томографії (МРТ). Переваги тривимірних знімків перед площинними очевидні: під час 3D-сканування фахівець може виявити приховані проблеми і згодом призначити пацієнтові прицільніше лікування та запобігти розвитку тяжких захворювань. Також створюються 3D-моделі органів, які дають змогу вивчити патологію і попрактикуватися перед проведенням операції. Крім того, активно створюються імплантати на основі тривимірних зображень за допомогою 3D-принтерів, розробляються технології створення штучних кісток, тканин, кровоносних судин і органів. І якщо першими двома позиціями використання 3D-друку вже нікого не здивуєш, то надруковані на принтері органи та кістки й досі лишаються якщо не фантастикою, то екзотикою, прекрасним технологічним майбутнім, у яке крокує світова медицина.

Перший досвід — кісткова тканина

У стоматології 3D-технології активно використовують із 1999 року — саме тоді компанія з виробництва медичних інструментів Align Technology вперше вивела на ринок капи для вирівнювання зубів, надруковані на 3D-принтері. Через певний час за допомогою адитивних технологій почали створювати зубні імпланти. Минулого року на їх виготовлення використано 224 млн дол., а у 2017 році група вчених з Орегонського науково-медичного університету (США) продемонструвала новий метод лікування кореневих каналів за допомогою надрукованих на 3D-принтері кровоносних судин. Цей інноваційний процес знижує ризик руйнування зубів, допомагає повністю відновити їх функції і обіцяє революцію в стоматології.

Завдяки дослідженням американських учених під керівництвом професора Луїса Бертасоні незабаром у стоматологів можуть з’явитися ефективніші методи лікування кореневих каналів, засновані на технології 3D-друку штучної мережі судин, ідентичних справжнім. Наукова робота дослідників детально описує, як штучні тривимірні друковані кровоносні судини покращують результати операції кореневого каналу. Спочатку хворий зуб обробляють традиційним способом, а потім усередину каналу вставляють тонке полімерне волокно діаметром 500 мікрометрів (0,5 мм), створене за допомогою спеціально розробленої вченими технології 3D-друку з агарози. Порожнини заповнюються гідрогелем, що містить клітини пульпи. Волокно потім витягують і в утворені вздовж усього зуба мікроканали вводять ендотеліальні клітини. Приблизно через 7 днів після цього всередині зуба починають формуватися штучні судини. Інакше кажучи, запускається процес регенерації зубної тканини. Цей результат доводить, що створення штучних кровоносних судин може стати вкрай ефективною стратегією повної регенерації зубів. Крім того, британські учені шукають спосіб відновлення зубів без використання пломб. Метод стимуляції стовбурових клітин у пульпі підвищує вироблення дентину та захисної плівки, що заповнює порожнини і захищає зуби від ушкоджень.

І це не єдиний приклад вдалого протезування черепних кісток — аналогічні операції вже проводили в Китаї, Великій Британії, Нідерландах. Так, поки що такі операції — радше виняток, ніж правило, але технологія 3D-друку крок за кроком завойовує позиції в медицині і все глибше проникає в кожну її галузь.

Людські органи на принтері — це реально?

На досягненнях у стоматології та хірургії адитивні технології зупинятися не збираються. У серпні 2017 року дослідники з Університету Мельбурна опублікували у The Medical Journal of Australia (MJA) статтю «Тривимірний друк у медицині», де описали інноваційні зрушення в технології 3D-друку, які вже в найближчому майбутньому змінять медицину. Автори дос­лідження переконані: невдовзі на медицину чекає масова інтеграція адитивних технологій у таких напрямках, як індивідуальне протезування, друк органів для навчання та репетицій операцій, 3D-друк людських органів та їх фрагментів, фармакологія. І якщо протезування та друк органів для навчання і репетицій операцій не здаються футуристичними вигадками, то ідеї про масове використання технології 3D-друку для створення органів і лікарських препаратів звучать, як фантастика.

Адитивна технологія, за допомогою якої можна друкувати людські органи чи їх частини, у науковому світі отримала назву «біодрук». Так, людські органи за допомогою неї ще не друкують, але науковці вже використовують 3D-технології для створення «органоїдів», що імітують органи у зменшеному масштабі і можуть використовуватися для досліджень. Органоїди сконструйовані з використанням стовбурових клітин, які можна стимулювати для перетворення на функціональну одиницю конкретного органа (нирки або печінки). Такий «біодрук» включає використання піпетки з комп’ютерним управлінням, яка обробляє культури клітин у спеціальному розчині, багатому поживними речовинами. Потім друкує їх у шарі гелю (без нього клітини перетворюються на драглисту рідину). За словами одного з авторів статті Джейсона Чуена, проблема в тому, що в гелі клітини можуть загинути за лічені секунди. І якщо для таких структур, як «органоїди», це не страшно, то створити повноцінний людський орган поки що не вдається: початкові шари клітин можуть померти ще до завершення процесу.

«Коли не станеться якогось прориву, що дасть нам змогу утримувати клітини живими, поки ми їх друкуємо, думаю, друк повноцінного людського органа буде неможливим. Але, маючи потенціал, доводиться працювати над тим, щоб надійно будувати «органоїди» або компоненти, які можна було б поєднати і змусити функціонувати як орган», — зазначає Дж. Чуен.

Незважаючи на недосконалість технології біодруку, уже є кілька успішних прикладів її застосування. Зокрема іспанська компанія BioDan Group у співпраці з місцевими НДІ розробила технологію друку шкіри на 3D-біопринтері. У чотирьох картриджах принтера — плазма крові, фібробласти, хлорид кальцію і кератиноцити. У результаті виходить матриця шарів на основі гідрогелю, що підтримує живі клітини. Після певного часу дозрівання в лабораторії ця надрукована тканина може бути пересаджена (поки таку шкіру пересаджували тільки мишам).

А от ізраїльська компанія Nano Dimension прославилася у світі 3D-друку завдяки новаторській технології виготовлення складних електронних друкованих плат. Нещодавно вона уклала угоду з ізраїльською біотехнічною фірмою Accellta, яка створює технології вирощування стовбурових клітин, з метою проведення лабораторних випробувань 3D-біопринтера для виготовлення стовбурових клітин. Технологія 3D-друку живих клітин обіцяє неймовірні можливості. Однак, щоб до кінця розкрити її потенціал, на думку науковців, необхідно підвищити швидкість і якість друку, життєздатність і керованість клітин, доступність самої технології, а також подумати про відкриття нових технологій друку біочорнилами. Поєднуючи високошвидкісну і високоточну технологію розпилення та технологію виробництва стовбурових клітин, компанії мають намір підняти якість і швидкість друку до небаченого раніше рівня.

Натомість біоінженери з Інституту регенеративної медицини у Вейк-Форесті (США) зосередили увагу на більш «твердому і конкретному матеріалі» і розробили незвичайну технологію тривимірного друку, яка дає змогу створювати повноцінні копії окремих кісток, м’язів і хрящів зі стовбурових клітин. Досі вченим вдавалося роздруковувати тільки дуже тонкі шари живої тканини (до 200 мкм), інакше вона починала гинути, оскільки поживні речовини і кисень не можуть проникнути на таку глибину без наявності кровоносних судин.

У цьому випадку біоінженери використовували особливий полімер, який давав можливість укладати клітини шарами і зберігати при цьому невеликий просвіт між ними. Після друку вчені поміщають органоїд в організм миші, де він поступово «заростає» кровоносними судинами, а полімер розкладається. Урешті-решт на місці заготовки виникає повноцінний орган, що має потрібну тривимірну форму і містить усі необхідні види тканини.

Також британські хірурги вперше надрукували на 3D-принтері тазостегновий суглоб для ендопротезування і використали стовбурові клітини пацієнтки, щоб зафіксувати його на місці. Імплантат для 71-річної пацієнтки лікарні при Саутгемптонському університеті був надрукований на основі 3D-файлів, виготовлених за детальними КТ-сканами. У якості матеріалу використовували титановий порошок, тонкі шари якого спікаються під впливом лазерного променя.

Друкуємо таблетки біля ліжка хворого

Отож, якщо вірити науковим дослідженням, друк органів на принтерах — це не фантастика, а перспектива. Як і виготовлення таблеток за допомогою 3D-друку. І перші кроки в цьому напрямку вже зроблені. Зокрема, у 2015 році Управління з контролю якості харчових продуктів і лікарських препаратів США (FDA) уперше в історії схвалило таблетку, створену за допомогою 3D-принтера, — Spritam, що допомагає контролювати епілептичні напади. 3D-таблетка розчиняється в організмі людини, так само як і інші ліки. Для її створення замість «чорнила» принтер використовує лікарські речовини, із яких шар за шаром формує таблетку.

Автор лекцій із фармацевтики Університету Центрального Ланкаширу (Велика Британія) Мохамед Альбед Альнан переконаний: друк таблеток сприятиме підвищенню точності дозування та створенню індивідуальних лікарських препаратів з умістом активної речовини до 1000 мг. Також нова технологія в майбутньому вирішить проблеми створення персоніфікованих ліків «на замовлення» під конкретні потреби пацієнта.

«Останні 50 років ми штампували таблетки на фабриках і потім розвозили їх по лікарнях. Уперше в історії ми можемо створювати ліки, не відходячи від ліжка хворого, — розповідає Мохамед Альбед Альнан. — Їх дозування легко змінювати залежно від потреб пацієнта простою маніпуляцією з принтером. У минулому подібні ліки «під ключ» були дуже дорогі у виробництві».

І це лише початок. Проблема нестачі донорських органів для пересадки змушує шукати біомедичні рішення, які не потребують використання донорського матеріалу. Технології регенеративної медицини на сьогодні вважаються найперспективнішими — генна і клітинна терапія, інжиніринг тканин, — але це занадто дороге задоволення як для дослідження, так і застосування. Адитивні ж технології мають перед регенеративною медициною цього напрямку величезну перевагу — доступність і швидкість. Якщо біодрук органів та їх частин стане реальністю, а адитивні технології вийдуть у маси, це стане третьою технічною революцією у світі. Що буде далі — питання вже до футурологів.

Адитивні технології в Україні — terra incognita

Один із найвідоміших і найуспішніших стартапів останніх років, який займається інтеграцією адитивних технологій в українську медицину, — студія 3D-друку Bila Muraha, заснована Віктором та Надією Бакланами. За допомогою технології 3D-друку вони створюють декоративні кавери для протезів, біонічні (роботизовані) протези та друкують 3D-моделі частини тіла, органи та пухлини на основі медичних даних пацієнта, тим самим даючи лікарям можливість підготуватися до майбутньої операції і врахувати потенційні ризики.

«Усе почалося 4 роки тому, коли ми вирішили витратити гроші, подаровані на весілля, на придбання 3D-принтера. Спочатку ми на ньому друкували все, що можна: фігурки, чашки, побутові предмети. Можливо, так і продовжили б друкувати посуд, якби не війна. Ми з Надією дуже вболівали за нашу країну, бійців, як могли допомагали пораненим. І раптом подумали: а чому б нам, маючи 3D-принтер, не зробити протез? Звичайно, це зовсім не чашка, але ми вирішили спробувати, — розповідає Віктор Баклан. — Почали з друку тягового протеза, але потім зловили себе на думці, що можемо більше (тягові протези малофункціональні). Так було створено перший в Україні роботизований протез, котрий працює від датчиків — вони зчитують імпульси м’язів, і пальці стискаються або розпрямляються».

Свій перший тяговий протез, створений у 2015 році, подружжя Бакланів подарувало 25-річному запоріжцю Івану Кушнерьову, який втратив у зоні АТО обидві руки.

«Ми проконсультувалися з українськими лікарями, зокрема травматологами. Вони здивувалися, але ідею оцінили: «Спробуйте!». Потім я цілодобово сидів в інтернеті, шукав літературу. І знайшов. Виявилося, в Америці є спільнота людей, які займаються виготовленням протезів. Крім того, уже створені та викладені у вільний доступ докладні інст­рукції, як це зробити. Коли я зрозумів, що вивчив достатньо для того, аби спробувати, дружина пішла до Головного військового клінічного госпіталю. Після того як обрали бійця для протезування і зробили заміри, почали шукати матеріали. Сам протез мав бути з ABS-пластику — пластичного й ударостійкого матеріалу (із такого ще виготовляють кубики Lego), котрий є у вільному продажі в Україні. Шурупи купили в будівельному магазині, кріплення — у магазині тканин. Загалом на друк усіх складових протеза пішло 40 годин. Вага конструкції — 660 грамів. Створений нами роботизований протез кріпиться до біцепса. За його допомогою Іван може ворушити кожним пальцем і брати в руки предмети. До цього він носив механічний протез вагою майже три кілограми», — згадує Баклан.

За останні два роки стартап став досить відомим: зараз подружжя Бакланів активно співпрацює з волонтерськими організаціями, проектом СТБ «Я соромлюсь свого тіла» та Київським казенним експериментальним протезно-ортопедичним підприємством, якому друкує деталі до протезів й ортопедичні корсети для корекції постави. Незважаючи на непоганий, здавалося б, старт, про застосування технології 3D-друку в медицині українські лікарі знають дуже мало.

«На жаль, сьогодні в Україні не створюють високотехнологічних протезів, і якщо людина хоче керований функціональний протез, то за нього треба викласти десятки тисяч доларів. Зрозуміло, що така сума непідйомна для пересічного громадянина, розповідає Баклан. — Спростити, пришвидшити і здешевити виробництво протезів допомагає технологія 3D-друку. Наприклад, максимальна вартість декоративного кавера для протеза — від 200 до 800 дол., а роботизованого протеза — до 2 тис. дол.»

Підтримки ані від держави, ані від Міністерства охорони здоров’я подружжя не очікує.

«Ми — стартап, а виготовлення протезів і каверів — наші кейси. Нам не обов’язково чекати підтримки від держави. Єдине, чого хотілося б, щоб держава знала про нас і додала наші вироби в каталог із протезами. Це, у першу чергу, зручно для пацієнтів — так вони матимуть вибір якості, моделей, ціни. Часом від вибору багато залежить. Нещодавно ми стали офіційним і єдиним представником міжнародного проекту е-Nable в Україні. Разом із цим у нас з’явилася можливість розвивати протезування та допомагати іншим удосконалювати свої протези. І все це абсолютно безкоштовно», — зазначає Надія Баклан.

Не такий поблажливий до державної політики в цьому питанні кандидат медичних наук, медичний директор ТОВ «Медичний центр «Ортоспайн» Дмитро Чекрижев, який уже не перший рік використовує адитивні технології у практиці. На базі клініки, зокрема, створено виробничий центр, де проводять аналіз 3D-моделі пацієнта, на підставі якої потім виготовляють індивідуальний корсет для лікування деформацій і травм хребта та грудної клітки, а також друкують індивідуальні корсети для лікування деформацій, моделі брейсів й ортопедичні устілки.

«На жаль, про використання адитивних технологій в українській медицині більшість лікарів узагалі не знають. Причина — відсутність будь-якої інформаційної політики в цьому питанні з боку державних органів, у тому числі й МОЗ, — переконаний Чекрижев. — У нас із Фондом соціального захисту інвалідів підписано договір: коли у клініки є фінансова можливість, то ми за власний кошт виготовляємо для дітей корсети. Як не прикро, але вже третій рік ми не можемо інтегрувати цю технологію в державний сектор — вона нікому не потрібна. Узагалі в популяризації адитивних технологій у медицині зараз найбільш зацікавлені закордонні фірми, котрі хочуть проводити в Україні навчальні курси для того, щоб лікарі потім у них замовляли фіксуючі конструкції. Їх також цікавить виробництво 3D-моделей в Україні, оскільки воно набагато дешевше і для цього не потрібно завозити обладнання й отримувати спеціальні дозволи. Ми намагаємося популяризувати адитивні технології серед медичної спільноти, наскільки це в наших силах. Зокрема співпрацюємо з Університетською клінікою Харківського національного медичного університету — за власний кошт друкуємо передопераційні моделі. Також на базі клініки функціонує Український центр реабілітації спортсменів, для яких ми виготовляємо устілки, ортези».

Навколо технологій адитивного виробництва у всьому світі зараз спостерігається величезний ажіотаж, але в Україні їх використовують лише останні кілька років і поки що проблем багато: відсутність обладнання у навчальних закладах, наукових центрах, на підприємствах, стандартизованої програми підготовки фахівців (здебільшого зараз це «кустарне» навчання), а найголовніше — брак державної підтримки. Вирішити всі ці проблеми можна лише популяризуючи технологію, створюючи стартапи, стукаючи в зачинені чиновницькі двері. Можливо, із часом хтось їх відкриє. Зрештою, у нас є молоді таланти, які працюють зі щирою вірою в технологічне майбутнє України.

Ножні кавери