Prieš dešimt metų bioprintingas skambėjo kaip mokslinės fantastikos siužetas – trimatis spausdintuvas, kuris vietoj plastiko ar metalo naudoja gyvas ląsteles ir „atspausdina” audinį. Šiandien tai jau ne fantastika, o realaus laboratorinio darbo dalis, kuri glaudžiai susijusi su IT sritimi labiau, nei daugelis įsivaizduoja. Kalbame apie CAD modeliavimą, vaizdų apdorojimą, algoritmus, kurie valdo tikslumą iki mikrometrų, ir duomenų analizę, be kurios šiuolaikinis bioprintingas tiesiog neegzistuotų.
Kas per technologija ir kodėl ji nėra tik medicinos reikalas
Bioprintingas – tai adityvios gamybos (3D spausdinimo) atmaina, kurioje vietoj įprastų medžiagų naudojamas vadinamasis bioinkas – gyvų ląstelių ir hidrogelio mišinys. Spausdintuvas sluoksnis po sluoksnio deda šią medžiagą pagal skaitmeninį modelį, kol susiformuoja trimatė struktūra, primenanti tikrą audinį ar net organo dalį.
Čia ir prasideda IT dalis. Kiekvienas toks modelis pirmiausia sukuriamas kompiuteryje – dažniausiai remiantis MRT ar KT skenavimo duomenimis. Tie duomenys paverčiami trimačiu tinkleliu, apdorojami specializuota programine įranga, kuri optimizuoja spausdinimo trajektorijas, sluoksnių storį, ląstelių tankį konkrečioje vietoje. Be tikslaus skaitmeninio modeliavimo apie audinio funkcionalumą negali būti nė kalbos – klaida keliais mikrometrais gali reikšti, kad audinys tiesiog neveiks taip, kaip turėtų.
Bioinkas – ne tik „rašalas”, o gyva sistema
Vienas dažniausiai neįvertintų dalykų – kiek daug inžinerijos slypi pačiame bioinke. Tai nėra vienas universalus mišinys, kurį galima naudoti visur. Kaulų audiniui reikia vienokios klampos ir mechaninių savybių, kepenų ląstelėms – visai kitokios aplinkos, kraujagyslėms – trečios. Kiekvienam atvejui kuriamas atskiras receptas, kuriame derinama:
- hidrogelio pagrindas (dažnai alginatas, kolagenas ar hialurono rūgštis);
- ląstelių koncentracija ir tipas;
- augimo faktoriai, skatinantys ląstelių dalijimąsi;
- mechaninės savybės, kurios turi atlaikyti spausdinimo procesą, bet vėliau leisti ląstelėms judėti ir formuoti tikrą audinį.
Įdomu tai, kad šiandien vis dažniau šio recepto optimizavimui pasitelkiamas mašininis mokymasis. Algoritmai analizuoja šimtus ankstesnių bandymų ir bando nuspėti, kokia sudėtis duos geriausią ląstelių išgyvenamumą po spausdinimo. Tai iš esmės ta pati logika, kaip ir bet kuriame kitame duomenimis grįstame optimizavimo procese – tik čia kaina už klaidą matuojama ne serverio prastova, o sugadintu biologiniu mėginiu, kuris kainuoja tūkstančius eurų.
Kaip iš tikrųjų atrodo spausdinimo procesas
Yra keli pagrindiniai bioprintingo metodai, ir kiekvienas turi savo IT komponentą:
- Ekstruzinis spausdinimas – dažniausiai naudojamas metodas, kai bioinkas išspaudžiamas per antgalį. Panašu į įprastą FDM spausdintuvą, tik reikia daug tikslesnio slėgio ir temperatūros kontroliavimo, nes ląstelės jautrios mechaniniam stresui.
- Rašalinis (inkjet) spausdinimas – lašeliais tiekiamas bioinkas, panašiai kaip įprastame biuro spausdintuve, tik čia lašelis turi būti tiksliai reguliuojamas, kad neapgadintų ląstelės.
- Lazerinis bioprintingas – naudojamas ten, kur reikia itin didelio tikslumo, pavyzdžiui, kraujagyslių tinklo kūrime. Lazeris „iššauna” mažus bioinko lašelius į paviršių pagal iš anksto apskaičiuotą trajektoriją.
Visais atvejais programinė įranga atlieka lygiai tą pačią funkciją, kaip ir pramoninėje gamyboje – valdo G-kodą arba jo analogus, sinchronizuoja judesius, stebi sensorių duomenis realiuoju laiku. Skirtumas tik tas, kad čia klaidos tolerancija artima nuliui, o pati medžiaga – gyva ir nuolat kintanti.
Audinių inžinerija: kur bioprintingas susitinka su biologija
Audinių inžinerija apima daug daugiau nei vien spausdinimą. Tai visas ciklas – nuo kamieninių ląstelių paruošimo iki bioreaktoriaus, kuriame atspausdintas audinys „bręsta” ir tampa funkcionalus. Bioreaktoriai šiandien taip pat yra ganėtinai skaitmenizuoti – juose integruoti jutikliai matuoja deguonies lygį, pH, temperatūrą, o duomenys perduodami į debesį realiuoju laiku analizei.
Praktikoje tai reiškia, kad laboratorija, dirbanti su audinių inžinerija, šiandien vis labiau primena duomenų centrą su biologiniu komponentu, o ne klasikinę mikrobiologijos laboratoriją su mėgintuvėliais. Skaitmeniniai dvyniai (digital twins) – koncepcija, pasiskolinta iš pramoninės gamybos – jau naudojami modeliuoti, kaip audinys elgsis skirtingomis sąlygomis, dar prieš atliekant fizinį eksperimentą.
Kur šiandien realiai naudojama ši technologija
Verta atskirti, kas jau veikia klinikoje, o kas dar tik laboratorijose. Šiandien realiausiai naudojami dalykai yra:
- Odos pakaitalai – jau naudojami gydant nudegimus ir lėtines žaizdas, kai kur net gaunami reguliatoriaus leidimai;
- Kremzlės ir kaulų struktūros – ortopedijoje bandomi implantai, kurie palaipsniui integruojasi su paciento audiniu;
- Farmacinis testavimas – vaistų kompanijos naudoja atspausdintus „mini organus” (organoidus) toksiškumo testams, taip mažindamos priklausomybę nuo gyvūnų bandymų. Tai, beje, ir yra sritis, kur pinigų srautas šiuo metu didžiausias, nes farmacijos pramonei tai leidžia sutaupyti metus tyrimų ir milijonus eurų;
- Kraujagyslių modeliai – naudojami tyrinėti, kaip vaistai veikia kraujotakos sistemą, be realaus paciento rizikos.
Pilnaverčiai organai transplantacijai – kepenys, inkstai, širdis – tebėra ateities perspektyva, ir čia svarbu būti sąžiningam: dauguma antraščių apie „atspausdintą širdį” kalba apie funkcinį prototipą, kuris toli gražu neprilygsta tikram organui, galinčiam veikti žmogaus kūne dešimtmečius.
Didžiausia kliūtis – ne spausdinimas, o kraujagyslės
Čia slypi didžiausia technologinė problema, kuri stabdo perėjimą nuo mažų audinio gabalėlių prie pilnaverčių organų. Bet koks audinys, storesnis nei kelis milimetrus, tiesiog žūva be deguonies ir maistinių medžiagų tiekimo – reikia kraujagyslių tinklo. O atspausdinti funkcionalų, savaime augantį kapiliarų tinklą yra žymiai sudėtingiau, nei atspausdinti stambesnę struktūrą.
Šiai problemai spręsti naudojami keli metodai – nuo mikrofluidinių kanalų, integruotų tiesiai į spausdinimo procesą, iki hibridinių metodų, kai audinys spausdinamas aplink laikinus „aukojamus” kanalus, kurie vėliau ištirpinami, paliekant tuščias erdves kraujagyslėms augti. Tai sritis, kur inžinerinė kūryba šiuo metu bene aktyviausia, nes būtent čia slypi raktas į didesnius, kliniškai pritaikomus organus.
Duomenys, etika ir kodėl tai nėra vien technologinis klausimas
Kalbant apie IT pusę, negalima praleisti ir duomenų klausimo. Kiekvienas bioprintingo projektas generuoja didžiulius kiekius duomenų – nuo paciento skenavimo iki spausdinimo parametrų ir bioreaktoriaus stebėsenos. Šie duomenys yra jautrūs medicininiai duomenys, todėl atsiranda tie patys iššūkiai, kaip ir bet kurioje sveikatos technologijų srityje – saugojimas, prieigos kontrolė, atitikimas GDPR ar panašiems reguliavimams.
Be to, kadangi vis dažniau modelius optimizuoja mašininio mokymosi algoritmai, atsiranda ir skaidrumo klausimas – ar galime paaiškinti, kodėl konkretus algoritmas pasirinko būtent tokią bioinko sudėtį konkrečiam pacientui. Medicinoje „juodosios dėžės” sprendimai keliami žymiai atidžiau nei, tarkime, rekomendacijų sistemose internetinėje parduotuvėje.
Kaip tai palies IT specialistus artimiausiu metu
Jei dirbate su duomenų analize, mašininiu mokymusi, CAD/CAM sistemomis ar embeded programavimu, verta žinoti, kad audinių inžinerijos sritis šiandien aktyviai ieško būtent tokių specialistų. Tai nebe grynai biologų ir chemikų žaidimo aikštelė. Keletas praktinių pastebėjimų tiems, kas svarsto galimybę įsitraukti į šią sritį:
- Verta susipažinti su CAD/CAM programine įranga, pritaikyta biomedicinai – pavyzdžiui, programomis, kurios generuoja spausdinimo trajektorijas pagal medicininius skenavimus (DICOM formatas – geras pradžios taškas susipažinti);
- Python ir R žinios čia praverčia lygiai taip pat, kaip ir bet kurioje kitoje duomenų analizės srityje – dauguma bioreaktorių duomenų analizės vyksta būtent šiais įrankiais;
- Verta suprasti pagrindus apie sensorius ir realaus laiko duomenų surinkimą (IoT principai), nes bioreaktoriai iš esmės yra IoT įrenginiai su biologiniu komponentu;
- Skaitmeninių dvynių kūrimo patirtis iš pramoninės inžinerijos yra vertinama – logika ta pati, tik objektas kitoks.
Vietoj apibendrinimo: ką iš tikrųjų verta įsidėmėti
Bioprintingas nėra vienkartinis stebuklas, kuris rytoj išspręs organų trūkumo problemą – tai lėtas, kruopštus procesas, kuriame kiekvienas milimetras ir kiekvienas duomenų taškas turi reikšmę. Realistiškiausia perspektyva artimiausiems metams – ne pilnaverčiai transplantuojami organai, o vis geresni farmacinio testavimo modeliai, odos ir kremzlės pakaitalai bei personalizuoti implantai, kuriuos galima atspausdinti pagal konkretaus paciento anatomiją.
Jei norite sekti šią sritį toliau, geriausia pradžia – nesigilinti į sensacingas antraštes apie „atspausdintą organą”, o sekti konkrečius mokslinius žurnalus (pavyzdžiui, Biofabrication ar Tissue Engineering), kur publikuojami realūs rezultatai su konkrečiais skaičiais – ląstelių išgyvenamumu, mechaninėmis savybėmis, ilgalaikiais stebėjimo duomenimis. Ten technologijos progresas matomas žymiai aiškiau nei bet kokioje populiarioje žiniasklaidoje.
Ir galiausiai – jei esate IT specialistas, ieškantis prasmingos srities, kurioje pritaikyti savo įgūdžius, audinių inžinerija šiandien yra vienas iš tų retų atvejų, kai kodas tiesiogine prasme gali padėti augti gyvam audiniui. Ne kiekviena sritis gali tuo pasigirti.
