Как вырастить сердце

Биопринтинг выходит из лабораторий в область медицинского применения: нас ждут печать хрящевых органов и менисков и восстановление поврежденных тканей прямо в операционной

Точная копия уха ребенка с врожденной патологией была сделана с использованием технологии биопринтинга студентами МИСиС в рамках дипломного проекта. Сначала с помощью 3D-моделирования была создана модель поврежденного органа, затем ее покрыли биоматериалом и живыми клетками, что позволило избежать отторжения имплантата. Сейчас разработка проходит клинические испытания.

3D-биопечать перестала быть экзотикой. И хотя универсального биопринтера пока не существует, такая цель уже поставлена. Руководитель Центра биомедицинской инженерии МИСиС Федор Сенатов рассказал в интервью проекту «МАГнит», что одна из актуальных и прямо сейчас решаемых задач — создание полноценного отечественного 3D-биопринтера, способного работать с различными материалами и типами клеток, то есть выращивать практически любые сложные биоинженерные конструкции прямо в стерильных условиях операционной, а также обеспечивать полную совместимость используемых материалов и компонентов с живыми клетками и тканями.

Проектирование функционального биопринтера ведется параллельно во многих научных центрах. Так, специалисты из Первого Московского государственного медицинского университета (МГМУ) им. И. М. Сеченова и Центра химической физики им. Н. Н. Семенова РАН разработали технологию трехмерной биопечати: из живых клеток человеческой жировой ткани и слизистой оболочки десны формируются сфероиды (агрегаты клеток в виде шариков) с последующей печатью из них тканевых эквивалентов. Полученные данные будут использоваться для получения аналогов хряща, сосуда и кости, а также для междисциплинарного проекта по созданию портативного принтера «Биоган», который поможет медикам справиться с незаживающими ранами, ожогами и другими дефектами кожи.

Проект «Биоган» — шаг к универсальной биопечати, это компактный ручной биопринтер, позволяющий повысить эффективность и скорость проведения операций за счет увеличения области облучения. В устройстве применяются специальные биочернила, содержащие клеточные сфероиды или нановезикулы. При этом прибор не требует от врача дополнительной квалификации и позволяет прямо во время процедур готовить, дозировать и наносить гидрогели для реконструкции мягких тканей.

«В России уже освоена печать кожи и хрящевой ткани, а сейчас ученые работают над созданием целых органов, например щитовидной железы», — отмечает генеральный директор ООО «Эксперты бизнес-планирования» Николай Журавлев. И это действительно так. Например, в Инженерно-физическом институте биомедицины Национального исследовательского ядерного университета МИФИ научились изготавливать искусственные хрящи: методом трехмерного биопринтинга из сфероидов делаются клетки хряща и печатаются прямо в операционной.

Специалисты из Самарского государственного медицинского университета создали биочернила для печати дермы, суставного хряща, а также тканей, которые планируется использовать для восстановления кожных покровов после болезни или травмы. В основе смеси — первичные культуры человеческих клеток, получаемые из жировой ткани, зубной пульпы и костного мозга.

Ученым из Челябинского государственного университета после двух лет работы удалось напечатать хрящ ушной раковины человека. Этот орган выбрали потому, что он содержит только один тип клеток (хондроциты), к тому же там нет кровеносных сосудов. По словам доцента кафедры микробиологии, иммунологии и общей биологии ЧелГУ Юлии Филипповой, получить и в течение длительного времени сохранять правильную форму хряща оказалось весьма непростой задачей.

Специалисты из лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions первыми в мире напечатали на биопринтере щитовидную железу, впоследствии прижившуюся в организме лабораторной мыши. Материалом для искусственного органа послужили клетки подопытного животного: их взяли из жировой ткани мыши, трансформировали в стволовые, а потом превратили в клетки щитовидной железы. Для этого на специальной матрице разместили 10 тыс. стволовых клеток, склеили гидрогелем и поместили в биореактор, где и произошло окончательное созревание органа.

Как это работает

Биопринтинг — это технология послойного наращивания и создания объектов, которые содержат живые клетки и могут вести себя подобно естественным живым тканям. В начале 2000-х годов появились первые скаффолды — биодеградируемые каркасы для восстановления поврежденных органов и тканей. Но это еще была не биопечать, а лишь биосовместимые и биоразлагаемые временные заменители органов. В 2003 году биоинженер Томас Боланд из Университета Клемсона (США) получил патент на метод изготовления клеточной конструкции с помощью струйной 3D-печати. Боланд использовал обычные настольные принтеры Lexmark и HP, но в качестве чернил взял взвесь живых клеток в специальном материале. Для биопринтинга применяются живые клетки, которые при помощи факторов развития органа могут соединиться и превратиться из недифференцированных предшественников (стволовых клеток) в ткани конкретного органа. Клеточный материал можно брать из организма пациента, готовить к использованию и наращивать в лаборатории.

Сейчас биопринтинг превратился в бурно развивающуюся отрасль мирового масштаба, «живой» печатью занимаются более сотни компаний, включая Modern Meadow, Poietis, 3DBio Therapeutics, Organovo Holdings, в гонке участвуют все богатые страны: США, Германия, Великобритания, Япония, Китай. И уже есть серьезные достижения. Так, в 2022 году специалисты 3DBio Therapeutics впервые пересадили человеку ухо, напечатанное на 3D-принтере, причем весь процесс занял менее десяти минут.

Большим преимуществом биопечати является то, что она позволяет создавать не только органы и ткани, но и их полные аналоги, давая специалистам возможность проводить более качественные исследования и эксперименты. Кроме того, поскольку искусственные органы состоят из собственных клеток пациента, организм в случае онкологического заболевания их не отторгает (подавление иммунитета при раке провоцирует развитие опухоли).

В целом перспективы у данного направления прекрасные. По данным главного внештатного трансплантолога Минздрава России Сергея Готье, потребность в пересадке сердца в России — тысяча операций ежегодно, почек — семь-восемь тысяч, печени — две тысячи. Однако отсутствие донорских органов в необходимом количестве приводит к тому, что 60% пациентов в России погибают, так и не дождавшись операции. В Китае ситуация еще сложнее: только в пересадке почки там нуждаются два миллиона человек.

Проблемы и сложности

Несмотря на прогресс, в отрасли не решен ряд фундаментальных проблем. Одна из основных — васкуляризация, создание мелких и крупных сосудов внутри органа или ткани. Трансплантологи и микрохирурги знают, что успех пересадки определяется прежде всего непрерывным кровоснабжением приживляемых тканей; врачи буквально вручную сшивают сосуды, даже небольшие. И вырастить или напечатать на принтере ткань, скажем, печени намного легче, чем спроектировать и вырастить еще и сеть кровеносных сосудов.

Кроме того, по словам заведующей лабораторией биомедицинских технологий Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Ирины Фадеевой, существуют проблемы межклеточной коммуникации. Печатать отдельными клетками невозможно, они погибнут, поэтому их заключают в природные полимеры рибофлавин или коллаген. Однако в капле полимера клетка, во-первых, испытывает трудности с питанием, если к ней не подведены сосуды, а во-вторых, не может соединиться с соседней клеткой и в результате быстро погибает.

Однако нужно не только обеспечить кровоснабжение напечатанных тканей, но и соединить их с нервной системой и запустить процессы активации разных функции в масштабе всего органа (очевидно, здесь должны участвовать и вещества-регуляторы местного значения, и регуляторы из крови, и сигналы нервной системы), поэтому сложные искусственные органы пока живут недолго, всего несколько часов.

Намечаются и проблемы, связанные с регулированием рынка. До сих пор нет специализированных институтов, которые могли бы заняться выработкой стандартов в данной области. А между тем отсутствие контроля над увеличивающимся разнообразием биопринтеров, расходных материалов и технологических процессов влечет за собой серьезные риски для потенциальных пациентов. Человеческих клеток очень много, к тому же они разного типа, и это ставит под вопрос безопасность использования биопечати для создания мозга, печени, почек, других органов и тканей. «Сегодня нельзя с уверенностью заявить, что данная технология совершенно безопасна, так как отсутствует нужное количество экспериментальных данных», — отмечает директор НОЦ биомедицинской инженерии НИТУ МИСиС Федор Сенатов.

С ним согласна Кэтрин Вилински-Мазур, основательница стартапа Spheroid Revolution, занимающегося разработкой программного обеспечения для 3D-биопринтинга живых тканей и органов. По ее мнению, коммерческий глобальный биопринтинг появится, скорее всего, лет через пятнадцать-двадцать.

Поддержка отрасли

Биопринтингом сегодня занимаются сотни организаций. Объем мирового рынка 3D-биопечати в 2022 году составил 2,13 млрд долларов. По словам соучредителя и управляющего партнера 3D Bioprinting Solutions Юсефа Хесуани, на данный момент активнее всего развивается сегмент продажи биопринтеров и расходных материалов к ним — биочернил. Здесь лидируют компании из США, Европы и Южной Кореи: BioBots, Rokit, Cellink.

Еще одним прибыльным направлением стало проектирование и создание тканей-микроорганов для моделирования болезней и проверки токсичности лекарственных препаратов. В этой области первое место принадлежит американской компании Organovo, у которой уже заключено более 20 контрактов с различными фирмами, в том числе с L’Oreal и Merck.

Массовое внедрение в клиническую практику печати относительно простых органов и тканей (хрящей, менисков) и использования клеточного материала остается пока отдаленной перспективой: существующие технологические, законодательные, административные и другие ограничения не позволяют сформироваться полноценному спросу на такие услуги. К тому же для подобной работы требуется создание центров полного цикла стоимостью в десятки и сотни миллионов долларов.

Наиболее близко к этому подошли в США: там уже действуют около 30 таких исследовательских центров, частных компаний, получающих помощь, в том числе финансовую, от венчурных фондов, бизнес-ангелов и государства. В 2022 году президент США Джо Байден подписал указ о поддержке развития биотехнологий и биопроизводства в стране, выделив на это два миллиарда долларов сроком на пять лет.

В России ситуация намного хуже. Работы ведутся в основном только в высших учебных заведениях, таких как Сеченовский университет, МИСиС, Институт цитологии РАН, Башкирский медицинский университет, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева и других. А все биопринтеры и материалы используются исключительно в научно-исследовательских целях — в лабораторных, доклинических и клинических исследованиях. Коммерческого биопринтинга в России нет. Пока непонятно, как научные разработки смогут выйти на рынок без макроуправления на уровне государства.

Но при этом деньги в отрасль понемногу идут. Несколько лет назад компания 3D Bioprinting Solutions получила от «Сколково» грант в размере 30 млн рублей на реализацию проекта «Разработка и оптимизация технологии трехмерной биопечати с помощью оригинального 3D-биопринтера». Одновременно она обратилась к Российскому научному фонду, где получила на три года 18 млн рублей для «разработки аддитивной технологии создания двухмасштабных протезов ушной раковины с помощью 3D-печати».

Несмотря на все сложности, биопечать становится популярным и востребованным направлением современной медицины, соответственно, объем этого рынка постоянно увеличивается. Ожидается, что в 2023 году он превысит 2 млрд долларов, а к 2030 году достигнет 8,3 млрд.

Когда появится искусственное сердце

Считается, что к 2030 году будут созданы первые органы, подходящие для пересадки человеку, такие как печень, сердце и почки. Среди других перспективных направлений можно назвать биопечать in situ, то есть прямо на теле пациента. В МИСиС сконструировали роборуку, которая печатает живые ткани на пациенте, оперативно воссоздавая поврежденные участки кожи или внутренние органы в процессе хирургического вмешательства. Понятно, что у такой технологии есть ряд сложностей: роборуке нужно в режиме реального времени отслеживать движения человека, корректируя свое положение при помощи компьютерного зрения, использовать оптимальный материал и иметь в составе чернил факторы роста конкретной ткани для лучшего приживления. Но это решаемые задачи. Об аналогичной разработке в январе 2023 года сообщили специалисты из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии: их роботизированная рука с 3D-биопринтером позволяет минимально инвазивно наращивать ткани на поврежденных органах, например на стенках желудка или толстой кишки.

Еще одно направление — использование для печати магнитных полей: с их помощью разбросанные по всем сторонам клетки станут собираться в форме будущего органа. Перспективна также голографическая биопечать — здесь для создания трехмерных структур применяется лазерная интерференция. «Отличие и главное преимущество этого подхода — высокая скорость, которая не зависит от объема формируемого эквивалента. Кроме того, такая технология позволяет создавать сложные формы и вложенные структуры, что открывает новые возможности для биодизайна», — говорит директор Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета, доктор химических наук Петр Тимашев.

Планируется и разработка так называемых интеллектуальных материалов, изменяющих те или иные свои характеристики под воздействием внешних факторов: света, кислотности, влажности. Их появление проложит дорогу 4D-биопечати, при которой искусственно созданный орган будет принимать окончательную форму, уже находясь в теле пациента.