«Распечатают ли нам, наконец, новые органы?» - этот странный вопрос в наши дни, оказывается, уже витает в воздухе. Так вот, сообщаем: распечатают. Но не сейчас. Не так скоро. Хотя в России уже разрабатываются и биопринтеры, на которых в будущем станут печатать «запчасти» для человека, и биобумага для таких устройств.
Одна из таких отечественных «точек роста» - лаборатория тканевой инженерии Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ РАН), расположенного в подмосковном наукограде Пущино.
Что же значит термин «тканевая инженерия» и откуда он взялся?
Прежде чем делать с нуля новые почки и сердце (чего мы пока не умеем), медицине предстояло освоить две задачи попроще. Во-первых, научиться воспроизводить твердые ткани – кости. И во-вторых, научиться воссоздавать большие куски тканей для «залатывания» тяжелых травм.
С этим к настоящему моменту дело обстоит довольно неплохо. В обоих случаях применяются «биодеградируемые материалы». Они не остаются в организме навсегда, а составляют основу, заселяя которую, стволовые клетки человека постепенно восстанавливают ткань. При этом сама «заплатка» попросту рассасывается.
Первым делом корреспондентам «МИР 24» показали нечто, похожее на «кусочки сахара» в колбах. Как оказалось, это – запасы материалов или препаратов, из которых формируется заменитель кости у человека. «Белые вещества» могут быть как из натуральной кости, так и из синтетических полимеров, таких как полилактиды и полигликолиды.
Напечатанная под управлением компьютера на 3D–принтере костная ткань по своей структуре может как полностью воссоздавать утраченный фрагмент кости, так и создавать другие конструкции, подходящие для обеспечения процесса ее восстановления.
«Возможности 3D-биопринтинга позволили, например, заместить удаленную из-за раковой опухоли нижнюю челюсть человека, - рассказывает руководитель лаборатории роста клеток и тканей Ирина Селезнева. – Прежде чем ее удалить, сняли томограмму и по компьютерной модели восстановили и напечатали каркас органа, который потом заселили собственными стволовыми клетками пациента и заместили утрату».
С воспроизводством мягких тканей дело обстоит сложнее. Однако за последние десять лет ученые существенно продвинулись и в этом направлении.
Суть метода «биопечати» в данном случае в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и «матрикса», моделирующего условия межклеточной среды и соединительной ткани.
Источником клеток могут стать как донорские, так и собственные стволовые клетки человека, выделенные, например, из жира или костного мозга. Они могут быть превращены в различные типы клеток и тканей под воздействием биологически активных веществ.
Руководитель лаборатории тканевой инженерии профессор Владимир Акатов и Ирина Селезнева говорят о создании новых биоактивных материалов, способных активировать собственные регенераторные возможности организма без привнесенных извне клеток. Главное - создать условия для миграции и роста собственных стволовых клеток человека и формирования ими тканей.
«Биобумагой для биопринтера» ученые называют искусственную среду, в которой смогут расти живые клетки будущих органов. Она образуется из белков, полисахаридов и других биоактивных веществ и представляет собой гидрогель, который можно заправлять в биопринтер вместе с клетками, либо тонкую пленку, на которой можно печатать клетки.
«Мы исследуем эти гели при взаимодействии с клетками, - поясняет старший научный сотрудник Галина Давыдова. - Смотрим, как составить композицию, чтобы после полимеризации гидрогель обеспечивал механические характеристики конструкции и условия для жизни в них леток».
Галина Анатольевна набирает в один шприц белок коллаген, а в другую – полисахарид (метилцеллюлозу). И капает из обоих шприцов в чашечку Петри. Происходит реакция, в результате которой в чашечке образуется бесформенная «пенка» или пленка. Бумагу она напоминает весьма относительно – впрочем, что-то вроде кусочка рельефных обоев или линкруста. Это гель «полимеризуется».
Вот прототип той «подложки», куда станут слой за слоем наращивать клетки будущих органов. Она сможет образовывать трехмерные объемные структуры этих органов, а затем, сыграв свою роль, рассосется в организме. Пока ничего сногсшибательного с виду не напоминает.
Однако у пущинцев довольно солидные партнеры. «В нашей стране есть два лидера биопринтинга, несколько различающихся по своим подходам и аппаратному обеспечению, - рассказала Ирина Ивановна Селезнева. – Один из них – Владимир Миронов, глава 3D Bioprinting Solutions и профессор в Университете штата Вирджиния».
Технология Миронова похожа на «струйный принтер», когда под управлением компьютера струи из разных шприцов смешиваются, формируя на подложке ткань. «В качестве чернил используются клеточные сфероиды, агрегаты клеток, которые обладают способностью сливаться между собой, образуя те же капилляры и другие структуры, ткани», - отметила Селезнева.
Другой лидер - Борис Чичков, профессор Ганноверского университета им. Лейбница и заведующий лабораторией лазерной наноинженерии в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН в Троицке.
«Условно назовем это лазерный биопринтинг – рассказала Селезнева. - Очень короткие, фемтосекундные импульсы лазера позволяют сшивать материал шаг за шагом, задавая под управлением компьютера нужную форму матрикса с точностью до нанометров. Эти же лазерные импульсы способны переносить с одной поверхности на другую даже отдельные клетки, которые при этом сохраняют свою жизнеспособность ».
Технологии биопечати различаются, но без матрикса, обеспечивающего адекватное микроокружение для жизни клеток и формирования тканей в обоих случаях не обойтись. В Пущино разрабатывают «бумагу», как для струйного, так и для лазерного принтера, адаптируя характеристики гидрогелей к особенностям технологии биопечати.
В принципе, пользуясь методами биопринтинга в отдаленном будущем, возможно, удастся собирать орган, как пазл, из отдельных клеток и матрикса. А в ближайшем будущем напечатанные таким образом кусочки тканей станут новой моделью для тестирования новых лекарств.
Сверхзадача, которую ставят ученые на будущее – научиться наращивать ткани прямо на поврежденном месте. Тогда вместо громоздкого принтера будет использоваться инструмент вроде пистолета, из которого на тело пациента станут наносить элементы гидрогеля с клетками, которые прямо на человеке будут полимеризоваться, формируя новую ткань.
Какие органы печатают на 3D принтерах; какие из них уже пересаживаются человеку, а какие разработали ученые из Сколково? В этой статье вы увидите фотографии напечатанных на 3D био-принтерах органы, а также узнаете о них подробнее.
Напечатанная 3D печень
Эта 3D печень напечатана компанией Organovo. На данный момент ткани слишком слабо развиты, чтобы использовать такую печень для трансплантации, поэтому печень "живет" в научно-исследовательских лабораториях. Продолжительность жизни такой печени - около шести недель. Это дает возможность ученым экспериментировать с препаратами и измерять разные процессы воздействия на печень. И хотя пересадить 3D печень нельзя, она помогает создавать лекарства значительно быстрее.
Напечатанный 3D позвонок
В Пекинском университете напечатали позвонок, который подходит для замены обычного и превосходит титан по прочности. Новый материал функционирует и используется в хирургии. Он позволяет пациентам восстанавливаться после операции значительно быстрее. Позвонок полый в центре, что позволяет нервам легко проходить через позвоночник.
Напечатанный 3D мозг
Доктор Джозеф Мэдсен не беспокоится о проведении гемисферэктомии, потому что сначала проводит аналогичную операцию на напечатанной версии мозга своего пациента. Уровень точности печати настолько высок, что мягкий пластик реплики дал Мэдсену возможность идеальной практики.
Напечатанное 3D сердце
Врачи со всего мира приступили к работе по разработке искусственных сердец. Прежде всего потому, что человечество много курит, ест нездоровую пищу и совершает другие действия, которые ведут к необходимости замены сердца еще в относительно юном возрасте. Ученые придумали использовать компьютерную томографию, которая позволяет получить полную картину органа, который затем им нужно распечатать с помощью специально разработанных материалов. Более того, врачи могут провести операцию дважды - один раз за день до операции на копии сердца, а затем на самом пациенте, что позволит сократить время и избавиться от ошибок. Сердца печатают, но их еще не пересаживают. На них практикуются.
А какой орган, напечатанный на биопринтере, планируют пересадить ученые из Сколково в следующем году?
Первый живой орган, созданный с использованием 3D биопринтера в России, будет пересажен в следующем году. Это будет щитовидная железа. Дальше ученые из Сколково планируют пересадить напечатанную почку в 2018 году.
«В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?».
Большинство органов - сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Одна только печень выполняет более 500 функций. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях.
Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Леса, сделанные из биоразлагаемых полимеров или коллагена, обеспечивали временную матрицу для клеток, которые могли цепляться за них до тех пор, пока не стали бы достаточно прочными, чтобы держаться самостоятельно. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами.
Вскоре, при помощи 3D-принтеров, леса стали строиться более качественно. Но ручное размещение клеток на них осталось трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать.
«При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», - говорит Ю. - «Руки - плохой способ доставки клеток».
Печать почек
В Wake Forest группы Ю и Атала построили биопринтеры, которые работают быстрее, чем модифицированные печатные принтеры, и могут работать с большим количеством типов клеток, в том числе со стволовыми, мускульными и сосудистыми. Они также разработали один принтер, который одним махом может создавать сложные леса; сегодня он используется для создания сложных ушей, носов и костей.
Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Типы клеток по-разному реагируют на материал лесов, и чем сложнее орган, тем сложнее будет его рамка - и тем сложнее предсказать, как будут мигрировать клетки вокруг него. В результате, не все ученые считают, что леса необходимы, в том числе Габор Форгакс, соучредитель Organovo и биолог в Миссурийском университете.
План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. «Магия», - говорит он, - «начинается после того, как закончится печать». В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думают, что конечный продукт - свеженапечатанный клеточный материал - еще не готов.
Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собирая клеточные совокупности - крошечные сферы с тысячами клеток - в круг, сотрудники лаборатории наблюдают за тем, как они сливаются и формируют новую структуру. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Каскад биологических связей растет, и клетки сливаются в крупную структуру.
Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Технология трансформировала . «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», - говорит он. Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека.
Форгакс говорит, что инженерам не стоит размещать клетки там, где они должны быть в готовых органах. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции».
Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», - говорит Форгакс. - «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. Полумиллиметровая совокупность - это уже маленький кусочек ткани. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией».
Печать кровяных сосудов
С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Ученые Organovo уже сделали это с клетками сердца; и когда они сплавились, они бились в унисон, как сердце. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут.
Ученые Organovo сделали относительно надежную сосудистую систему путем печати наполнителя, вроде гидрогеля, между клетками ткани. Наполнитель позже извлекается, оставляя пустые каналы для клеток крови. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры.
«Основная задача - это создать очень маленькие капилляры», - волосовидные кровеносные сосуды, связывающие крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что этот вопрос разрешится в течение ближайших двух лет. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени.
Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. В нескольких шагах от «Далласа» размером с полхолодильника находятся биопринтеры «Руби» и «Зорг», украшенные фотографиями Криса Такера и Гэри Олдмана, соответственно.
В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. Однако важной вехой стала разработка подходящих инструментов, с помощью которых можно визуализировать и смоделировать весь процесс.
Напечатанные образцы кожи
Чего не хватает биопринтерам - и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере - сложное биологическое программное обеспечение. В случае с неодушевленным объектом - кофейной чашкой - 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. Но в медицине нет аналога этого сканера.
«МРТ не покажет вам, где находятся клетки», - говорит Липсон. - «Мы буквально бредем в темноте по чертежам. Это полбеды. Нет никакого «фотошопа» для перемещения клеток. И это не совпадение. Для этого нужно программное обеспечение. Вы не можете сделать программную модель печени. Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета».
Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. «Область, которую мы исследуем, необязательно будет иметь под собой экономическую базу, но она может появиться в ближайшие годы», - говорит Карлос Ольгвин, глава Bio/Nano/Programmable Matter Group Autodesk.
В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную CAD-оболочку, чтобы поспособствовать процессу конструирования. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. В конечном счете, исследователи хотят быть в состоянии проектировать клеточные совокупности на цифровом уровне, нажимая Enter, и спустя секунды видеть, что нужно изменить, а что останется в конце.
«В очень короткие сроки мы собираемся значительно сократить время, которое в среднем уходит на процесс биопечати. Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи».
Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. До сих пор нет никаких надежных способов оценить то, как препарат влияет на печень человека, пока он не будет принят - и испытания на животных особо не помогут.
«Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», - говорит Преснелл. - «Вы можете получить прекрасный ответ от крысы. А в реальности людям будет не очень хорошо».
Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. Исследования показали, что мыши помогли выяснить, как хорошо препарат для лечения гепатита C будет усваиваться людьми. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Проблема в том, что такие структуры созданы из нескольких толстых слоев клеток, что ограничивает сложность вопросов, на которые могут ответить ученые.
В следующем году Organovo начнет продажу образцов печени - пластинок наподобие чашки Петри, содержащих клетки печени, организованные в трехмерные структуры от 200 до 500 микрон толщиной (в 2-5 раз толще человеческого волоса). Потенциал рынка огромен. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени.
«Обычно люди делают так: очищают химикаты, принимают препарат, добавляют его к клеткам, смотрят на реакцию, анализируют, возможно, дают животным, а потом уже людям», - говорит Ли Кронин, химик из университета Глазго. - «Вместо того, чтобы делать образцы из пластика, мы распечатаем живой кусочек печени и посмотрим за реакцией в реальном времени. Вот это будет интересно».
Напечатанные кости
Если биопечатные образцы будут помогать фармацевтам получать лучшие данные, ускорится вся лекарственная промышленность. Более того, уменьшится потребность в испытаниях на животных.
Целью Озболата в университете Айовы является печать ткани поджелудочной железы для лечения. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа.
Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.
Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. Изменить жизнь самым коренным образом. В настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. И очередь постоянно растет. И дело не в том, что нет спроса. Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально.
Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов - частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Ранее ученые уже создали ухо, включающее наночастицы серебра, образующие спиральную антенну. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела - от кардиостимулятора до счетчика пульса.
Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Машина просто стала еще одним инструментом, который помогает человеку. Принтер может внести посильную лепту. Может поставить куски человека на место. Но, как отмечал Форгакс, никто не знает, почему эти куски делают то, что делают. Только жизнь знает. Пока что.
Одной из самых успешных областей медицины для 3D печати, пожалуй, можно назвать протезирование. Ведь при нынешних возможностях, люди стали получать разительно более дешевые и в то же время более качественные протезы практически всех костей в человеческом организме.
Кроме этого, в будущем, нас наверняка ждет колоссальный прорыв в трансплантологии. Над этим прорывом работает целая отрасль, именуемая 3D-биопечатью. Суть биопечати в том, чтобы в буквальном смысле изготавливать человеческие органы на специально разработанных 3D принтерах. Звучит такая перспектива, скажем прямо, как нечто из научной фантастики. Однако уже сегодня в этой сфере есть немало побед. Так, например, нам известно, что в ряду достижений ученых числится успешно вживленная в тело мыши распечатанная печень! По словам экспертов, в перспективе примерно 10-ти лет, мы сможем проводить аналогичные операции, но уже с людьми.
Что же до людей, которые как известный всем Фома не могут поверить до тех пор, пока не пощупают, можно привести в пример стоматологию. Уже сегодня, мы имеем повсеместное внедрение 3D печати в эту область медицины. Мудрые стоматологи по всему миру уже смекнули, что зубные протезы, распечатанные на 3D принтере, проще в изготовлении и имеют более точные параметры, нежели протезы произведенные вручную.
Словом, количество и качество достижений и перспектив, которые привнесла 3D печать в медицину, дает нам полное право говорить о том, что аддитивное производство - это новая веха в научно-технологической жизни человечества, ведь не каждая технология может похвастаться тем, что она спасает жизни людей.
Увы, на современном этапе напечатанные органы не воссоздают поврежденный оригинал, но способны функционально его заменить. Например, искусственные сердечные клапаны, суставы, зубы, слуховые аппараты и элементы конечностей с успехом выполняют функции имплантатов.
Последним же ноу-хау является печать органов на 3d принтере, при которой используется биоматериал вместо пластика или смол.
На данный момент разработаны две методики: печатать органы живыми клетками, заполняя окружающее пространство специальным коллагеновым гелем, или же помещать клетки на поверхности (или внутри) напечатанной принтером пластиковой формы. Первый способ позволил вырастить ткань кожи, второй - живую печень и почку, которые планируют использовать для экспериментов.
По подсчетам ученых, до времени, когда можно будет свободно распечатывать органы на 3d принтере, осталось лет 10.
3D-печать человеческого органа, возможно, когда-то станет медицинской рутиной. В компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» корреспондент ИТАР-ТАСС познакомился с достижениями отечественного биопринтинга.
Сотрудник Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс»
Три этапа биопечати
В лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» под стеклом ламинара (стерильного бокса) стоит устройство, на первый взгляд напоминающее обычный 3D-принтер: механические приводы, а картриджи в виде стеклянных трубок: в них «чернила». Принтер шуршит, разворачивает картриджи, что-то выдавливается на стеклянную подставку — постепенно появляется какая-то крошечная студенистая конструкция. В данном случае элементарной каплей чернил являются не просто клетки, а так называемые тканевые сфероиды — шарики микронного размера, содержащие в себе до 2 тыс. живых клеток необходимого вида. Учитывая, что орган состоит из клеток разных видов, картриджей тоже несколько. Биобумага, то есть место закрепления биочернил, — гидрогель.
«Обычным» 3D-принтером уже мало кого удивишь: он был придуман в 1985 году американцем Чаком Холлом. По прошествии трех десятилетий 3D-принтеры производятся серийно, их главное коммерческое применение на сегодня — печать объемных прототипов чего угодно, от зданий до самолетов. Есть и бытовые модели, которые позволяют вам распечатать, например, чашку. В медицине 3D-печать тоже давно применяется: в хирургии, стоматологии для изготовления протезов или имплантов. Но поистине революционными выглядят перспективы биопечати, следующей эволюционной ступени 3D-печати. Когда человечество научится печатать живыми клетками новые органы взамен изношенных, жизнь уже никогда не будет прежней.
Российский ученый Владимир Миронов задумался в 2003 году в университете Северной Каролины: а почему бы по точно такому же принципу, по которому 3D-принтер изготавливает полимерные конструкции, не воссоздавать биологические структуры, используя клетки вместо пластика в качестве «чернил». В том же 2003 он разработал общую технологию так называемого «органпринтинга» и выпустил статью, после которой в обиход и вошли термины «биопринтер», «биобумага», «биочернила». Сегодня Владимир Миронов - научный руководитель российской компании «3Д Биопринтинг Солюшенс», резидента кластера Биомедицинских технологий Сколково.
Глазом не видно, но, как мне объясняют, биопринтер оснащен еще и источником ультрафиолета: излучение необходимо для отвердения биодеградируемого гидрогеля.
«Заметьте, мы занимаемся не выращиванием, а ассемблированием, то есть сборкой органов. Все начинается с цифровой 3D-модели органа
- необходимо виртуально разрезать его на слои, задать
распределение клеток разного вида в этих слоях, предусмотреть
размещение полых внутри сфероидов, из которых образуются сосуды»,
- рассказывает Владимир Миронов. На экране видно, что именно
только что на моих глазах делал принтер: на основу гидрогеля
выкладывается слой шариков-сфероидов (разные цвета шариков —
разные клетки), дальше опять слой гидрогеля, а на него —
следующий слой сфероидов. А вот в объемной модели образовались
цилиндрические отверстия — это каналы сосудов. Напечатанная
конструкция — еще не готовый орган. Пока это просто именно
конструкция, в которой сфероиды клеток поддерживает находящийся
между ними гидрогель: отсюда и вид студня. Следующий этап —
созревание ткани, то есть срастание вместе сфероидов с одновременным выведением гидрогеля. Этот процесс происходит
в специальном биореакторе: небольшая камера, помещенная в поддерживающий необходимую температуру и влажность
шкаф-инкубатор. «То, что вы видели, это, собственно, и есть три
основных этапа сборки органа: создание цифровой модели, процесс
печати и созревание. Каждый из них сам по себе — отдельное
сложное направление изысканий», — замечает Владимир
Миронов.
Владимир Александрович Миронов,
научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований
«3Д Биопринтинг Солюшенс»
Клеточные технологии
Понятно, что каждый орган должен печататься из клеток, подходящих конкретному пациенту. Сырьем для изготовления «биочернил» являются стволовые клетки из трех источников. Из них можно вырастить клетки для любого органа. Первый, самый доступный — жировая ткань самого пациента. Другой источник — эмбриональные стволовые клетки. Клетки эти выделяются из пуповинной крови после родов и хранятся в специальных криобанках. Но мало кто из пациентов располагает таким запасом. Поэтому существует третий источник: индуцированные стволовые клетки, то есть с высокой степенью приближения, выращенные для пациента с использование донорских клеток.
«Мы не занимаемся производством алюминия — мы строим самолеты», — Владимир Миронов находит все новые слова, объясняя, что задача лаборатории — отработать технологию по сборке органов, а не заниматься получением клеток (для этого существуют специализированные компании). Тем не менее, элементарные клетки из жировой ткани получают прямо здесь. А главное, сфероиды для экспериментов производятся прямо в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс». Мне демонстрируют пластиковые формочки с сетчатой структурой для изготовления сфероидов. Сфероид — капелька в 200−250 микрон. Под микроскопом видно, что в оболочке шарика множество клеток. Изготавливаются сфероиды и вручную (наносятся пипеткой), и с помощью специальной, созданной в «3Д Биопринтинг Солюшенс» машинки: автоматизированную технологию пока отрабатывают.
Автоматизированный микрофлюидный способ масштабирования сфероидов обеспечит биопринтер чернилами для большого тканевого конструкта: 1 тыс. сфероидов в секунду.
Сотрудник
Лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг
Солюшенс»
На пороге практики
В «3Д Биопринтинг Солюшенс» всего 16 человек, включая исследователей и менеджмент. По словам исполнительного директора Юсефа Хесуани, компания создана в начале 2013 года, и с этого времени в создание лабораторий и исследования вложены уже сотни тысяч долларов. Примечательно, что инвестором является известная сеть лабораторий «ИНВИТРО». Как заметил Владимир Миронов, обычно от идеи до готовой технологии проходит 15−30 лет. По его прогнозам, на поток имплантацию первых напечатанных на биопринтере органов (вначале сравнительно простых вроде щитовидной железы) поставят примерно в 2030 году. Простота или сложность органа определяется наличием разных «опций» вроде каналов, клапанов и прочих элементов, которые зачастую непросто напечатать. «В будущем же отделение „биопринтинга“ при каждой больнице будет таким же обычным явлением, как рентген-кабинет или операционная, — уверен Владимир Миронов. — Необходим какой-то орган — сразу на месте напечатали».
Однако монетизировать технологии биопринтинга можно, не дожидаясь этого светлого будущего. «Мы здесь создали первый российский коммерческий биопринтер — уже сегодня можем создавать такие под заказ. У нас есть заявки из разных стран», — рассказывает Юсефа Хесуани. Биопринтеры в мире стоят от $250 тыс. до $1 млн. Напечатанные на них биологические структуры используются, например, фармкомпаниями для тестирования новых препаратов. Созданный «3Д Биопринтинг Солюшенс» первый российский биопринтер отличается от иностранных аналогов, во-первых, особым решением для ультрафиолетового облучения, которое попадает на гидрогель, не задевая клетки. Во-вторых, это единственный многофункциональный принтер — сочетает все известные методы печати (клетками, сфероидами, в гидрогеле, без гидрогеля).
И, наконец, специалисты «3Д Биопринтинг Солюшенс» сделали свой принтер небольшим, то есть помещающийся в стандартный серийный ламинар — для западных аналогов обычно приходится заказывать отдельные ламинары, которые стоят по $20 тыс. «Мы собираемся заниматься совместными научными исследованиями на нашем принтере с научными группами со всего мира, работать над различными проектами, коммерциализация которых возможна, — рассказывает Юсеф Хесуани. — Выступать в качестве технологической площадки для испытаний биочернил и биобумаги, налаживать технологии биопечати, делать на заказ пробы материалов и т. д. В том числе, продавать наш автомат и формы для производства сфероидов».
Сегодня в мире меньше двух десятков компаний, имеющих готовые биопринтеры. Но мир верит в перспективы направления, которое сулит переворот в деле охраны здоровья: наладившая выпуск биопринтеров американская компания Organovo вышла в прошлом году на IPO с капитализацией $1 млрд. «Organovo отладила технологию от опытного образца до серийного за пять лет. Мы пройдем этот путь быстрее, — замечает Владимир Миронов. — В США свой последний биопринтер я делал полтора года, а здесь, в России, мы сделали за полгода. Также за полгода удалось наладить получение сфероидов: в бразильской лаборатории мы на это потратили два с половиной года».
«Проект по созданию 3D Биопринтера имеет две ступени коммерциализации. Первоначально принтер будет предлагаться для продаж science-2-science, и печать биологических тканей и моделей органов может использоваться для разработки лекарственных средств, — говорит Кирилл Каем, вице-президент фонда „Сколково“, исполнительный директор кластера биомедицинских технологий. — Мы рассчитываем, что, благодаря экосистемному эффекту, разработки „3Д Биопринтинг Солюшенс“ будут востребованы и другими резидентами „Сколково“. На второй ступени коммерциализации мы ожидаем, что успешное развитие системы позволит уже через несколько лет печатать органы для использования в клинической практике, в том числе и в Научно-исследовательском медицинском центре на территории „Сколково“. Проект „3Д Биопринтинг Солюшенс“ находится на передовом рубеже науки и практики. В мире всего пара десятков подобного рода разработок, при этом, в отличии от проекта резидента „Сколково“, достаточно большая часть из них ориентирована именно на печать тканей, а не цельных органов».
Владимир Миронов уверен, что уже в следующем году его команде удастся напечатать первый полноценный орган — щитовидную железу.
