Биофабрикация в действии

Владислав, давайте начнем с определений. Биоинженерия, биофабрикация, биопринтинг — ​что это? Чем различаются эти понятия?

Давайте двигаться от широких понятий к более узким. Есть биоинженерия — ​недавно сформировавшаяся междисциплинарная область, сочетающая принципы инженерии и молекулярной биологии. Она использует методы механики, электротехники, химии, материаловедения, информатики, математики и других наук для разработки инновационных решений в целях изучения, создания и оптимизации живых систем.

В биоинженерии есть несколько направлений, одно из них — ​тканевая инженерия, или биофабрикация: методы сборки и выращивания биологических конструкций, включающие механизмы самоорганизации клеток, микромоделирование, использование биореакторов и другие подходы, направленные на создание полноценных функциональных тканей и органов. Один из методов биофабрикации — ​биопринтинг — ​технология послойного формирования живых тканей и органов с использованием 3D-принтеров. В процессе биопринтинга применяются специальные биочернила, содержащие клетки и биоматериалы, наносимые слоями с высокой точностью, — это позволяет создавать сложные структуры, имитирующие натуральную ткань.

Биопринтинг использует преимущественно аддитивные технологии, тогда как биофабрикация может включать и сопутствующие процессы: стимуляцию клеточного роста, самоорганизацию клеток с помощью внешних биомеханических или химических сигналов.

Давно ли появился биопринтинг и как он сейчас развивается?

Первые работы в этой области датируются 1990‑ми годами, когда ученые начали использовать традиционные 3D-печатные технологии для создания простейших тканей. Эти эксперименты заложили основу для развития биопринтинга. Так, в 2006 году американский врач-уролог Джон Энтони Атала и его команда опубликовали результаты своих исследований: в 1999 году они вырастили с помощью тканевой инженерии мочевой пузырь с использованием персонализированных клеток пациента и успешно имплантировали его.

Сначала биопечать осуществляли на обычных капельных принтерах, используя биочернила. Затем появились принтеры, адаптированные для работы с живыми клетками, например экструзионные биопринтеры. Они похожи на обычные 3D-принтеры, только послойно печатают не пластиком или металлом, а клетками с гидрогелем. С их помощью ученые смогли напечатать более сложные и тонкие структуры, что значительно расширило возможности технологии.

Одним из первых практических применений биопринтинга стала печать кожи для лечения ожоговых ран. Это продемонстрировало безопасность и эффективность технологии и привело к появлению многочисленных стартапов в этой области.

Прорывные исследования, сделавшие возможным создание органоидов (миниатюрных моделей органов), позволили в лабораторных условиях смоделировать функции сложных органов: печени, почек и легких. Это важно: на органоидах тестируются лекарственные препараты и прогнозируется течение заболеваний.

Современные исследования направлены на создание полностью функциональных органов, например, сердца, печени. В будущем искусственные органы можно будет использовать для трансплантации. Правда, для этого придется решить проблемы, связанные с васкуляризацией (формированием кровеносных сосудов) и интеграцией имплантируемых органов в организм. Но прогресс не стоит на месте, рано или поздно эти проблемы будут решены.

В нише биопринтинга работает ряд хорошо капитализированных компаний, но о массовом внедрении этих технологий пока говорить рано: их гораздо сложнее коммерциализировать, чем традиционную 3D-печать. Все биомедицинские технологии проходят строгие проверки, получают необходимые разрешения регуляторов. Это небыстрый процесс.

Как биопринтинг представлен в России?

Еще в 2014 году российская компания 3D Bioprinting Solutions создала экструзионный биопринтер Fabion. Он отличался от аналогов тем, что печатал тканевыми сфероидами — конгломератами клеток. До этого печатали клетками в гидрогеле: из принтера выходила гидрогелевая «колбаска», внутри которой образовывались клетки. Минус этой технологии в том, что плотность клеток в геле довольно низка, и клетки не очень хорошо приживаются в таких условиях. А тканевые сфероиды похожи на кирпичики. В каждом сфероиде — ​около 8 тыс. клеток. Располагая сфероиды в трехмерном пространстве, можно быстрее и эффективнее построить живую плотную ткань.

Таким способом была напечатана первая в мире микроорганная структура — ​щитовидная железа мыши. Ее имплантировали животному, орган прижился и стал вырабатывать гормон тироксин. Важно, что в напечатанной щитовидке было достаточное количество клеток, образующих кровеносные сосуды, — ​без них любая ткань отмирает.

Какие еще методы, кроме классического биопринтинга, используются при биофабрикации?

В Японии разрабатывается технология, при которой тканевые сфероиды нанизываются на специальные тонкие штыри. Сфероиды контактируют друг с другом, начинается процесс слияния, формируется единая живая структура, и штыри удаляются.

Еще один способ — ​бесконтактное удержание материала с помощью физического поля. Так, в биопринтере от 3D Bioprinting Solutions используется магнитное поле. Этот принтер, кстати, летал в космос: в 2018 году на борту Международной космической станции прошел эксперимент, в ходе которого были напечатаны хрящевая ткань человека и щитовидная железа мыши. В условиях невесомости клетки легче «подвешивать» в трехмерном пространстве. Эксперимент доказал, что эти технологии можно успешно использовать и в земных условиях, но необходимы сильные магнитные поля, например сверхпроводящие. Проводятся также эксперименты с использованием нескольких полей: магнитного и акустического.

Эту технологию можно сравнить со штамповкой или литьем, когда расплавленный металл заливается в форму и застывает. Тут то же самое, только в качестве формы выступают физические поля, бесконтактно удерживающие структуру в трехмерном пространстве. В этом основное отличие такого метода от классического биопринтинга — ​послойного выращивания тканей.

Исходный материал для создания тканей и органов — ​клетки. Откуда они берутся?

Это важный вопрос. Можно взять клетки у будущего реципиента — ​животного или человека. Он сдает кровь, из нее берутся клетки, из них получаются индуцированные стволовые плюрипотентные клетки, из которых можно создать любую клетку организма. Проблема в том, что такой процесс стоит дорого и занимает много времени — ​порядка трех-шести месяцев. Решение — ​создание банка клеток, в котором будут храниться клетки разных типов, — ​это значительно сэкономит время. Такие банки уже создаются в разных странах. Например, в Японии: там достаточно всего 10 типов клеток, чтобы обеспечить все население. Для такой многонациональной страны, как Россия, потребуется больше типов клеток.

Следующий шаг — ​выращивание универсальных клеток, подходящих всем реципиентам. Уже работает совместный проект «Росатома» с ФМБА в рамках национальных геномных центров мирового уровня. Благодаря модификации такие выращенные клетки не будут отвергаться организмом реципиента. Выращенный эквивалент подсаживается пациенту, функционирует.

Это направление может вывести биоинженерию на новый уровень, когда не придется долго ждать выращивания органа. Как в фантастических фильмах: хирург распечатал нужный орган и сразу имплантировал его.

Опишите, пожалуйста, процесс биофабрикации от начала до конца.

Процесс проходит по-разному в зависимости от выбранного метода и типа ткани. Давайте я приведу конкретный пример — ​расскажу о том, как мы выращиваем кровеносные сосуды для животных. Мы берем клетки у лабораторного животного, получаем из них клетки нужного типа. Затем клеточная структура попадает в биофабрикатор, где она формируется под действием физических полей. Это происходит очень быстро — ​занимает около минуты. После этого начинается процесс клеточного слияния, занимающий около суток. По окончании этого процесса синтезированным клеткам ткани нужно «дозреть» и приобрести свой­ства, присущие конкретному типу ткани. Дозревание происходит в биореакторе, причем ткань необходимо стимулировать — ​таким образом мы «подсказываем» ей, в каком направлении развиваться, заселяем другой тип клеток — ​эндотелий (он нужен для внутренней выстилки сосуда). Это длится от недели до месяца. После этого созданный эквивалент можно подсаживать в живой организм. Здесь начинается работа хирургов — ​у нас это специалисты из Сеченовского университета. Отмечу: мы очень тесно взаимодействуем с медиками на всех этапах процесса выращивания тканей, начиная с выработки стратегии. Нам важно, чтобы медицинское сообщество оценило наши продукты. Работы по этому направлению ведутся в рамках Единого отраслевого тематического плана.

Кстати, о животных. Кролик с вживленными сосудами произвел на Форуме будущих технологий в этом году настоящий фурор. Как кролик чувствует себя сейчас? И проводите ли вы опыты с другими животными?

Участие кролика в форуме было нетривиальной задачей: мы переживали, как животное перенесет стресс; но все прошло гладко. Сейчас он чувствует себя отлично, заметно подрос.

Мы продолжаем эксперименты на других животных. Например, для крыс выращиваем брюшную аорту — ​это самая большая артерия брюшной полости, для кроликов — ​бедренные артерии. Полная функциональность таких важных аорт показывает большие перспективы наших разработок. Планируем перейти к опытам на более крупных животных. Следующий шаг после получения всех разрешительных документов — ​клиническая апробация.

Почему вы решили начать с выращивания кровеносных сосудов?

Кровеносная система человека — ​одна из важнейших, она отвечает за слаженную работу всего организма, обеспечивает питание тканей. Если не наладить работу кровеносных сосудов, имплантируемый орган не приживется. Только после решения этой задачи можно приступать к решению более сложных.

О каких именно задачах идет речь?

В ближайшей перспективе хотелось бы научиться выращивать железистые ткани, например, паращитовидную или поджелудочную железу. Ну а затем — ​перейти к фабрикации еще более сложных органов: печени, почек, сердца. Это совершенно новый вызов, но я убежден: все, что создано природой, человек сможет вырастить.

Могут ли представлять опасность для пациента имплантируемые выращенные ткани и органы?

Принцип «не навреди" — ​основополагающий в медицине. Наши технологии не дойдут до этапа клинических испытаний, пока не подтвердится их полная безопасность.

Вы согласились бы стать первым реципиентом для выращенного органа?

Конечно. И большинство моих коллег, я думаю, тоже ответят утвердительно. Это нормальная практика для ученых: создатели верят в свой продукт и готовы его протестировать на себе.

Вы сказали, что биоинженерия — ​междисциплинарная наука. Какие специалисты работают в вашей команде?

Я по образованию инженер, и мне было очень интересно погрузиться в мир молекулярной биологии. Сейчас в нашем коллективе около 15 человек: математики, инженеры, программисты, физики, генетики, биологи. В ближайшем будущем, думаю, начнется деление на отделы. По похожей парадигме развивался атомный проект: из небольших научных групп вырастали целые направления.

Развивая биоинженерные технологии, наши ученые параллельно вносят вклад в смежные области: ультразвуковые медицинские исследования, таргетную доставку лекарств, создание фармпрепаратов и др.

Мы плотно сотрудничаем с НИТУ МИСИС — ​у них есть магистерская программа по биофабрикации (часть нашего коллектива оттуда), а также с НИЯУ МИФИ, где запускается специальный курс по нашему направлению.

Как вы себе представляете медицину будущего?

В идеале, большинство людей вообще не будут болеть. Болезнь станет из ряда вон выходящей ситуацией, задача медицины — ​предупреждать болезни. Получение медицинской помощи должно стать максимально комфортным. У пациента будут такие ощущения: мне было хорошо, а после лечения стало еще лучше.

Медицина получит полное представление о том, как функционирует человеческий организм. Вся информация о пациенте будет содержаться в базе данных, анализировать его состояние помогут роботизированные системы.

Биоинженерия будет играть важнейшую роль: донорские органы больше не понадобятся, любой необходимый орган будет выращиваться под запрос, индивидуально и быстро. Думаю, появятся и системы, «печатающие» некоторые утраченные ткани, например, мягкие или костные, прямо на теле человека — ​без этапа дозревания. Кстати, такие технологии уже есть: недавно специалисты НИТУ МИСИС впервые в мире напечатали на человеке фрагмент кожного покрова.

Мы с коллегами делаем все возможное для того, чтобы помочь врачам и приблизить ­будущее.