Часть тела. Отпечатано в России

Иллюстрация: Shutterstock
// В Москве напечатали щитовидную железу. Опытный образец предназначен для имплантации мышиному эмбриону. На очереди человеческие органы.
Татьяна Зимина («Наука и жизнь», специально для «Кота Шрёдингера»)

В порыве страсти отрезали себе ухо? Не печальтесь! Новое ухо уже сегодня можно напечатать на принтере и пришить. Это будет ваше собственное ухо, а не какого-нибудь другого Ван Гога. Ни к черту почка? Скоро массово начнут печатать и почки. Есть проблемы с прочими частями тела? Возможно, нужные вам запчасти уже скоро пойдут в тираж.

Первый отечественный биопринтер публике представили в октябре минувшего года. Аппарат, на котором печатают живые ткани и органы, как бы нереально это ни звучало. Автор самой идеи биомедицинской печати — Владимир Миронов, сейчас американский профессор, но с нашими корнями, кандидатскую защищал в знаменитой Пироговке. Идея оказалась достаточно безумной, чтобы воплотиться в технологию, грозящую перевернуть рынок регенерационной медицины.

Владимир Миронов, профессор Университета Вирджинии (Virginia Commonwealth University, США) и научный руководитель компании 3D Bioprinting Solutions (Россия). Выпускник лечебного факультета Ивановского государственного медицинского университета, ученую степень кандидата медицинских наук получил во 2-м МОЛГМИ (в настоящее время РНИМУ им. Н.И. Пирогова). В 2005 году профессор возглавил созданный им Центр биофабрикации тканей в Медицинском университете Южной Каролины, США (Advanced Tissue Biofabrication Centre, MUSC), позже стал соучредителем двух стартап-предприятий в США: Cardiovascular Tissue Technology Inc и Cuspis LLC, которые заняты коммерциализацией 3D-биопринтеров оригинальной конструкции.

Соизобретатель первого биопринтера Organovo. Первые статьи по данной теме также написаны им в соавторстве с другими первопроходцами.

Серьезных изобретателей, типа Сикорского и Брина, мы отправляем за границу регулярно. Это наш традиционный «экспортный товар». А вот чтобы привезти обратно в страну наиновейшую технологию, да еще с коммерческими целями, — такое редко случается. Владимир Миронов привез. Сейчас он научный руководитель компании 3D Bioprinting Solutions, которая и разработала первый российский биопринтер.

— В мире существует 10–14 коммерческих биопринтеров, — говорит Миронов.

То есть наш — один из этих полутора десятков. Что, в общем, тоже чудо, как и сама биопечать.

Самосборка головастика

Идея биопринтинга, по словам профессора Миронова, пришла к нему, когда он увидел, как отдельные кольцевые фрагменты сердца эмбриона цыпленка сливаются в трубку. Правда, способность живых тканей к самосборке обнаружили более ста лет назад американский морской биолог Петер фон Вильсон и немецкий гистолог Густав Борн (отец физика Макса Борна). Профессор Университета Бреслау Густав Борн однажды вечером препарировал головастика и оставил его в таком виде до утра. А утром обнаружил, что отдельные фрагменты головастика срослись. А Петер фон Вильсон в 1907 году опубликовал работу, в которой описывал эксперименты по измельчению губок: в них он наблюдал, как отдельные кусочки живого срастались в единый организм.

Без этого фундаментального свойства клеточных конгломератов — способности сливаться друг с другом — биопечать была бы невозможна. Как и без множества технологий, наработанных биологами к началу XXI века.

Итак, что нам нужно, чтобы напечатать на принтере живую ткань или орган так же, как обычный 3D-принтер печатает затейливые формы из пластмассы или, допустим, металла?

Для начала нужна компьютерная модель, которая будет точно очерчивать все структуры органа и его сосудистый рисунок. Затем для биопечати нужны собственно биопринтер, «чернила», то есть клеточный материал для построения органа, подложка (биобумага), на которую печатают клетки, и биореактор, где напечатанный орган будет «дозревать» и храниться до пересадки.

— В качестве биобумаги используется биодеградируемый гидрогель, основная функция которого — удержание сфероида (конгломерата клеток. — КШ) в заданной точке пространства. Кроме того, он выполняет роль питательной среды, — объясняет профессор Миронов.

Фото представлено компанией 3D Bioprinting Solutions

Требуется также масса вспомогательных материалов, приборов и роботизированных машин. Например, сортировщик клеток, отделяющий нужные клетки от ненужных; картриджи, в которые закладывается клеточный материал; форсунки, через которые «биочернила» капают или распыляют на подложку. Необходим, кроме того, биогель: в него помещают клетки и сфероиды, чтобы они не слипались друг с другом слишком рано, — в картридже и форсунках.

А вот на подложке свойство клеток слипаться как раз используется: клеточные конгломераты объединяются как те части головастика из опыта столетней давности. Эксперименты показали, что слияние происходит под действием сил поверхностного натяжения, подобно тому, как сливаются две капли воды. В результате на биобумаге образуется единый клеточный слой. Следующий слой клеточного строительного материала сращивается с нижним и так далее. Возникает объемная структура.

Клеточная фабрика

Но откуда же брать клетки для биопечати? Наиболее простой путь — извлечь их из жировой ткани реципиента, то есть человека или животного, для которого конструируется новый орган или ткань. Клеточный сортировщик выделяет из жировой ткани стволовые клетки, а из них затем можно получить клетки специализированные, например, эпителиальные, или нефроны.

— Эти установки представляют собой сложные приборы, разработка и совершенствование которых в мире идет полным ходом. Так, современный сортировщик способен всего за один-два часа выделить нужную популяцию стволовых клеток из жировой ткани, — рассказывает Миронов.

В качестве строительных «кирпичиков» живой ткани профессор Миронов использует клеточные сфероиды. Для их фабрикации был разработан специальный аппарат. Есть компании, работающие с отдельными клетками, но все больше научных групп переходят на печать сфероидами.

— Ведущие научные группы, такие как группа профессора Коичи Накаямы из Университета Сага, пришли к печати сфероидами. Это подтверждает правильность выбора, сделанного нами, — говорит Владимир Миронов. — У нас распыление и диспенсирование гидрогеля происходит отдельно от диспенсирования сфероидов. Благодаря этому ультрафиолетовое излучение, используемое для полимеризации гидрогелей, то есть биобумаги, не контактирует с клеточными сфероидами и, соответственно, не повреждает ДНК, в отличие от существующих в мире инженерных решений. В этом неоспоримое преимущество нашего биопринтера.

Органы чаще всего состоят из разнородных клеток, поэтому и в картридж биопринтера нужно закладывать сразу несколько типов. В лаборатории 3D Bioprinting Solutions ткань печатают сразу с сосудистым рисунком. А в некоторых лабораториях мира уже получены биоконструкты с тремя видами клеток.

Что потом, когда орган уже напечатан? Его помещают в биореактор — аппарат, содержащий различные ростовые факторы, то есть молекулы, влияющие на рост клеток. Здесь поддерживается жизнеспособность новенькой части тела, здесь она защищена от инфекции. А главное — в биореакторе идет ее ускоренное созревание, в том числе окончательно формируется сосудистый рисунок.

— В биореакторе протекает постпроцессинг, то есть «взросление» биоконструкта, — объясняет заведующий лабораторией 3D Bioprinting Solutions, доктор биологических наук Сергей Новоселов.

Сейчас в лаборатории работают над созданием собственного биореактора.

Органы — народу

Задачу замены поврежденных тканей и органов человечество пока решает в основном с помощью пересадки чужих, донорских материалов. Главная в этом деле загвоздка — нехватка доноров, что влечет за собой смерти пациентов, не дождавшихся трансплантатов, и леденящие душу преступления. Да и проблему отторжения чужого органа никто не отменял.

Собственно, биопринтинг призван заменить донорство. Поэтому идеи Миронова и его коллег были быстро подхвачены. Новое направление развивается подобно снежной лавине. Кроме уха уже напечатаны и успешно пересажены животным хрящи и кожа, кровеносный сосуд, а также печеночный конструкт для испытания новых лекарств.

Чтобы поставить биопечать живых тканей и органов на поток, требуется автоматизация и роботизация процесса. Это станет следующим этапом развития технологии.

— Линия биофабрикации органов — это целый ряд интегрированных роботизированных устройств, в которых процесс сортировки клеток плавно переходит к стадии производства тканевых сфероидов, а затем к печати структур будущего имплантата, — говорит Миронов.

В качестве примера он приводит работу бразильских ученых: прототип роботизированной линии выращивает зачатки волос, а затем печатает сами волосы прямо на голове человека. Фантастика? Сейчас таких фантастических работ пруд пруди. Технологией, например, уже заинтересовались пищевики. Перспектива делать гамбургеры из напечатанного куска мяса им кажется очень привлекательной. Тем более что это нравится защитникам животных. Новые горизонты открываются и в фармацевтике. Теперь испытания лекарств можно проводить на отдельно взятой, напечатанной, но живой почке или печени. Это избавит от необходимости проведения первой стадии клинических испытаний на людях.

Революцию в регенеративной медицине аналитические агентства прогнозируют уже в 2016 году. К этому времени, по их данным, 3D-биопечать начнет компенсировать потребности в хрящевой ткани — речь идет о бизнесе в 3,6 миллиарда долларов. Болезни органов движения, связанные с разрушением хрящей, будь то суставный хрящ в коленке или межпозвонковый диск, мучают человечество все сильней и поражают людей все более молодых.

К 2018 году биопринтинг изменит и рынок кожи (видимо, не только для пересадки), а к 2025–2030 годам появятся сложные органы.

Эти прогнозы несколько отстают от планов компании 3D Bioprinting Solutions, обещающей напечатать щитовидную железу (пока для мыши) уже в марте нынешнего 2015 года, а почку – к 2030 году.

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №3 (05) за март 2015 г.