Теорія неймовірності - Максим Іванович Дідрук

3D-принтери — це пристрої, які шар за шаром виліплюють тривимірний об’єкт за його цифровою моделлю. Технологія не нова. Перші 3D-принтери з’явилися в Японії на початку вісімдесятих років минулого століття. Відтоді тривимірний друк знайшов застосування в найрізноманітніших галузях. Сьогодні за допомогою таких пристроїв створюють зброю, меблі, музичні інструменти, ювелірні вироби, автомобільні й авіаційні деталі. На початку нульових технологія дісталася медицини: одразу кілька компаній узялися за друк тривимірних моделей на клітинній основі. Тобто за створення об’ємної живої тканини.

Чому це так важливо?

Лікарі в усьому світі пересаджують органи сотням тисяч пацієнтів на рік, одначе значно більше — мільйони людей — стоять у черзі на пересадку. Донорів катастрофічно не вистачає. Лише у Сполучених Штатах щодня помирає в середньому двадцятеро пацієнтів, які не дочекалися на необхідний трансплантат. Нирку — найзатребуваніший орган — доводиться очікувати роками. Тривимірний біодрук може раз і назавжди розв’язати всі ці проблеми. Ідея проста: з отриманих у пацієнта стовбурових клітин виростити клітини потрібного типу, наприклад печінкові гепатоцити чи клітини серцевого м’яза, після чого за допомогою біопринтера видрукувати з них належний орган. Такий орган буде повністю сумісний з організмом, а відтак трансплантація стане цілком собі рутинною хірургічною процедурою. Чимось на кшталт видалення апендикса. Ось тільки… не все так просто. Сподіватися, що фармацевтичні компанії от-от розгорнуть масовий друк людських органів, не варто, і проблеми трансплантології найближчим часом нікуди не подінуться. Точно не впродовж цього десятиліття. Спробуємо розібратися чому.

У світі на сьогодні є понад сто компаній, які займаються біопринтингом. Вони успішно друкують хрящову тканину (наприклад, вушні раковини), невеликі кістки, фрагменти артерій і шкіри. Й усі ці тканини вдало приживаються в організмах пацієнтів. Наприкінці нульових американський біоінженер Ентоні Атала першим пересадив пацієнтові надрукований на біопринтері сечовий міхур, а 2011-го, просто під час виступу на конференції TED, він продемонстрував, як 3D-принтер вибудовує макет людської печінки.

У чому ж тоді проблема? Усе ж начебто працює. І так, і ні. Річ у тім, що вушний хрящ, фрагмент артерії чи навіть сечовий міхур — це порівняно прості органи, сформовані з клітин одного типу. Вони якісно відрізняються від печінки, серця чи, скажімо, легень. Якщо надруковане на 3D-принтері вухо вийшло неідеальним — невелика біда. Суттєво щоби прижилося. Те саме стосується артерій, шкіри та кісток. Тоді як зі складнішими органами все… ну… складніше. Їм треба поживні речовини та кисень. Це означає, що їхній друк має бути швидким. У сенсі дуже, дуже швидким. Інакше до моменту, коли біопринтер закінчить друкувати зовнішні шари, внутрішня частина органа може змертвіти. Окрім цього, такі органи мусять бути практично досконалими. Пацієнт помре, якщо штучне серце зупиниться хоча б на кілька хвилин. Чи якщо штучні легені недостатньо ефективно насичуватимуть кров киснем.

Варто також розуміти, що складний орган на кшталт легень, печінки чи серця — це не набір певних клітин. Не те щоби це визначення в чомусь неправильне, просто воно не відображає чимало важливих нюансів. Розглянемо, до прикладу, серце. Кардіоміоцити — клітини міокарда — бувають трьох типів: скорочувальні, секреторні та провідні. Їх необхідно поєднати в правильних пропорціях і розташувати в правильних місцях. Кожна така клітина потребує не лише енергії для функціонування, а й хімічних сигналів, які вказуватимуть, що саме їй робити. А ще ж є ендокард й епікард, тобто внутрішня та зовнішня оболонки серця. У них свої типи клітин. В епікарді, зокрема, розташовуються капіляри, які живлять кров’ю серцевий м’яз, і нервові волокна. Окремі капіляри такі тонкі, що жоден винайдений на сьогодні біопринтер не в змозі їх відтворити, а нервові волокна слід друкувати так, щоб вони забезпечували правильні скорочення, та ще й під’єднати до нейронів, які йдуть від стовбура головного мозку.

Далі. Складні органи не просто сидять усередині людського організму, вони постійно щось виконують: отримують і надсилають хімічні сигнали, перекачують рідини, позбуваються пошкоджених клітин тощо. Й учені навіть не уявляють, як відтворити їхню архітектуру. Так, біоінженери вже зараз можуть надрукувати щось у формі серця з клітин серця чи щось у формі легень із клітин з’єднувальної тканини та респіраторного епітелію, але, грубо кажучи, це будуть ні на що не спроможні шматки м’яса. Пригадуєте експеримент Ентоні Атали? Поки вчений виступав перед аудиторією, 3D-принтер за його спиною начебто друкував людську печінку.

Чудове, заворожливе шоу, ось тільки очевидно, що насправді замість повнофункціонального органа біопринтер виліплював неймовірно реалістичний муляж — шматок плоті у вигляді печінки.

Хотілося б закінчити розповідь на позитивній ноті, але, на жаль, це неможливо. Біопринтинг — недосконалий. Тканинна інженерія поки що має обмеження, які не дають змоги створити складний орган, що його потім вдасться пересадити людині. На сьогодні це є фантастикою. Друк таких органів вимагає значно вищої точності, ніж та, яку пропонують найкращі сучасні біопринтери, та, цілком імовірно, нових підходів, наприклад використання нанороботів, що розміщуватимуть конкретну клітину в конкретному місці. Й мине не одне десятиліття, перш ніж такі технології з’являться.

Електролітаки

Електрифікація транспорту — це вже глобальний тренд. Щороку з’являється дедалі більше транспортних засобів з електричними рушіями. Втім, коли ми кажемо «транспортні засоби», то маємо на увазі переважно легкові машини, автобуси та вантажівки. А як щодо літаків? Повністю електричний авіалайнер мав би чимало переваг над реактивним: був би менш шумним, дешевшим, простішим в обслуговуванні й основне — не продукував би шкідливих викидів. То чому ми досі не бачимо повсюди комерційних лайнерів з електричними пропелерами замість турбореактивних двигунів?

Ну, із цим є проблема.

Якщо взяти сучасний готовий до зльоту літак, викачати з нього пальне, вилучити паливну систему — всі трубопроводи, помпи тощо, і на їхнє місце встановити електричні батареї, то дальність польоту зменшиться вдвадцятеро. І ми не можемо просто отак додати ще батарей. Бо для того, щоб підняти в повітря ці додаткові акумулятори, потрібно встановити ще акумуляторів, і так далі. Навіть якщо літак повністю напакувати електричними батареями, залишивши місце тільки для пілота, дальність польоту не дотягне навіть до половини тієї відстані, яку лайнер пролітає на авіаційному пальному.

Між наземним і повітряним транспортом є фундаментальна різниця. В автомобілях вага не відіграє такої значної ролі. Щоби створити потужніший електрокар чи наростити відстань, яку він проїжджає на одній підзарядці, достатньо встановити більше батарей. Про потребу ж модифікувати батареї так, щоб вони вміщали більше енергії на одиницю маси, зовсім не йдеться.

З літаками все інакше. Вага важлива. Що легший