Источник: scientificrussia.ru
Технологии биопечати открывают в медицине перспективы, о которых раньше можно было только мечтать. Возможность оперативно «распечатывать» органы и ткани, не дожидаясь появления донора, при этом используя собственные клетки пациента, не провоцирующие иммунный ответ, — впечатляющий подход, родившийся сравнительно недавно, но уже позволяющий получать первые значимые результаты по всему миру. И Россия — не исключение. Более того, некоторые значимые эксперименты в области печати биоинженерных конструкций были впервые поставлены именно отечественными учеными.
Развитие биопечати актуально для медиков и исследователей всей страны. В апреле 2024 г. президент России В.В. Путин поручил правительству РФ разработать национальный проект «Новые технологии сбережения здоровья». В числе мер, нацеленных на внедрение биомедицинских технологий, в масштабную программу вошла и поддержка разработок в сфере биопечати.
Пионеры биопечати в России — компания 3D Bioprinting Solutions, занимающаяся разработками в сфере 3D-печати органов и тканей более десяти лет. Ей принадлежит первенство в создании отечественного биопринтера — представленная в 2014 г. разработка получила название FABION. Уже год спустя напечатанную на новом принтере щитовидную железу успешно пересадили лабораторной мыши.
«В рамках нацпроекта “Новые технологии сбережения здоровья” планируется отработать более 15 биомедицинских решений, в том числе путем внедрения биопечати. Разумеется, нацпроект придаст новый импульс развитию биопечати. Необходимо отметить, что биопечать имеет отдельный трек в рамках стратегии развития аддитивных технологий, принятой правительством Российской Федерации. По реализации данной стратегии госкорпорация “Росатом” в лице АО “Наука и инновации” проводит важную работу по разработке методов биопринтинга. Например, на Форуме будущих технологий, прошедшем в феврале этого года и посвященном медицинским разработкам, коллеги из “Росатома” продемонстрировали президенту магнитно-акустическую систему биопечати. И в результате мы видим задачи по внедрению технологии в практическую медицину», — сказал соучредитель и управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани.
Биопринтер, тканевый пистолет и искусственное ухо
Эксперты 3D Bioprinting Solutions ведут исследования совместно с Национальным исследовательским технологическим университетом МИСИС — своим партнером по федеральному проекту Министерства науки и высшего образования «Передовые инженерные школы».
В сентябре 2023 г. прошел доклинические испытания разработанный партнерами биопринтер в виде роборуки, позволяющий залечивать ожоги, язвы и обширные раны на теле пострадавшего прямо в операционной. Технологию протестировали на животных в лаборатории Московского научно-исследовательского онкологического института им. П.А. Герцена. А уже в декабре 2023 г. с помощью нового биопринтера хирурги Главного военного клинического госпиталя им. акад. Н.Н. Бурденко провели первую в мире операцию с биопечатью на пациенте.
«С ГВКГ им. Н.Н. Бурденко мы работаем в рамках трехстороннего Соглашения о научной деятельности, подписанного Университетом МИСИС, 3D Bioprinting Solutions и самим госпиталем. Вообще для нас общепринят такой формат взаимодействия, когда мы работаем с разными клиническими базами на безвозмездной основе, чтобы найти решение для конкретных клинических случаев. При таком подходе врачи по сути выступают постановщиками задачи и конечными пользователями технологии», — рассказал Юсеф Хесуани.
Роборука-биопринтер ориентируется в пространстве с помощью системы компьютерного зрения. В качестве биочернил в устройство загружается коллагеновый гидрогель российского производства, в который уже «на месте» добавляются собственные клетки костного мозга пациента, стимулирующие регенерацию тканей.
Перед операцией биопринтер самостоятельно отсканировал место повреждения, после чего специалист университета запрограммировал траекторию подачи биочернил в рану. Далее робот без помощи человека запечатал повреждение биополимерной «заплаткой».
Разработанная партнерами система сканирования и печати помогает успешно преодолеть сразу три препятствия, с которыми можно столкнуться в процессе биопечати: сложный рельеф раны, повышенная кровоточивость и инородные тела (например, металлические конструкции для фиксации сломанных костей). А если пациенту необходима реконструктивная операция, частичное «закрытие» раны сокращает площадь повреждения, что помогает снизить хирургическое вмешательство и, как следствие, риск развития осложнений после него.
«Создан важнейший прецедент использования биопринтера для атравматичного закрытия обширных приобретенных дефектов сразу на пациенте без предварительной подготовки 3D-моделей и без необходимости имплантации напечатанных заранее эквивалентов ткани», — отметил директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Святославович Сенатов.
Вносят свой вклад в развитие биопечати и молодые ученые МИСИС. Весной 2023 г. выпускники программы «Биоматериаловедение» запатентовали напечатанный на 3D-принтере имплантат ушной раковины. Исследователи представили разработку в качестве дипломной работы. Новое искусственное ухо превосходит аналоги по биофизическому сходству с настоящей ушной раковиной. Полиуретановый каркас имплантата повторяет очертания уха и имеет особую структуру, позволяющую сосудам прорастать сквозь него. Напечатанная ушная раковина не теряет исходной формы под воздействием силы натяжения кожного лоскута, а клеточный материал внутри имплантата близок по плотности к живой ткани, что позволяет расширить регенеративные возможности и увеличить приживаемость искусственного уха. Технология поможет устранять как врожденные дефекты, так и последствия травм, ожогов и опухолей.
Яркое достижение МИСИС в области биопечати — первый в России тканевый пистолет, позволяющий накладывать «заплатки» из биополимеров на раны легкой и средней степени тяжести. Технология помогает остановить кровь и запустить восстановительный процесс на месте повреждения. Для заживления раны пистолет смешивает в единый материал три компонента: биополимеры, медицинские препараты (обезболивающие, кровоостанавливающие, антибактериальные и др.) и сшивающий агент. Соотношение «ингредиентов» регулируется в режиме реального времени. В отличие от аналогов технология обладает более простой и функциональной системой подачи материала в область раны, может использовать шприцы с биоматериалами вдвое большего объема, а также полностью автономна и заряжается через USB-порт. Разработка предназначена для помощи пострадавшим в мобильных госпиталях во время чрезвычайных ситуаций и военных действий. Тканевый пистолет уже испытали в НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина — технология помогла ускорить заживление ожоговых ран у лабораторных животных.
Биопринтер, искусственное ухо и тканевый пистолет были разработаны в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинские материалы и биоинженерия» по программе Министерства науки и высшего образования «Приоритет-2030». Программой руководит заместитель президента РАН, доктор медицинских наук академик Владимир Павлович Чехонин. Помимо этого, МИСИС — координатор и инициатор консорциума «Инженерия здоровья», в который входят более десятка организаций (включая 3D Bioprinting Solutions), работающих над новыми методами борьбы с тяжелыми заболеваниями и инновационными медицинскими технологиями.
От хрящевой ткани до барабанной перепонки
Особое место биопечать занимает и в практике Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова. Летом 2023 г. ученые вуза провели полный цикл биопечати тканевого эквивалента совместно с ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Эксперимент позволил впервые выработать пошаговое описание создания биоинженерной конструкции на 3D-принтере. Для печати исследователи использовали два типа стволовых мезенхимальных стромальных клеток человека — из слизистой оболочки десны и из жировой ткани. Из них сформировали сфероиды — строительные «кирпичики» для биопринтера — и смешали со специальным гидрогелем из желатина, фибриногена и нескольких веществ-модификаторов, создающим комфортную среду для функционирования клеток. Затем исследователи напечатали с помощью полученных биочернил эквивалент живой ткани и пронаблюдали за дифференциацией стволовых клеток. Оказалось, что клетки из десны становятся более вытянутыми, поэтому больше подойдут для создания сосудов и костей, а клетки из жировой ткани принимают распластанную форму, что делает их пригоднее для получения искусственной кожи. В результате эксперимента исследователи получили полностью функциональный живой эквивалент кожи, который позволит повысить эффективность терапии плохо восстанавливающихся диабетических и трофических язв, ожогов и незаживающих ран.
В числе других достижений Сеченовского университета в области биопечати — эксперименты по созданию искусственного хряща и аналога барабанной перепонки человека. Напечатанная на биопринтере хрящевая ткань поможет в лечении травм и борьбе с заболеваниями суставов, такими как остеохондроз, а барабанная перепонка позволит обрести слух людям, страдающим от глухоты и тугоухости.
В 2023 г. в Институте регенеративной медицины университета открылась первая в России образовательная программа по 3D-биопечати, разработанная по программе «Приоритет-2030» и нацеленная на подготовку врачей различных направлений, провизоров, биологов, биотехнологов и биоинженеров. Кроме того, Сеченовский университет заключил соглашение с Китаем о создании двух совместных лабораторий биопечати и регенеративной медицины в Медицинском университете Цзуньи и Девятом Народном госпитале в Шанхае. Планируется, что российско-китайские разработки будут использоваться в травматологии и восстановительной хирургии при раковых заболеваниях шеи и головы.
«В российско-китайских лабораториях будут создавать биоэквиваленты, которые в отличие от традиционно применяемых в реконструктивной хирургии онкозаболеваний титановых сплавов будут постепенно замещаться собственной тканью», — объяснил директор Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Петр Сергеевич Тимашев.
Заменить подопытных мышей и «распечатать» ДНК
Значимых результатов в сфере биопечати достигают и другие вузы страны. Например, собственный биопринтер BION-F представили в 2019 г. исследователи Донского государственного технического университета. Важнейшая особенность разработки — простота производства: устройство создали с помощью технологий 3D-печати. BION-F многофункционален: он позволяет печатать искусственные ткани из биочернил с живыми клетками, конструкции из биопластика с гидрогелем, а также скаффолды — трехмерные каркасы для формирования различных биологических структур.
К развитию биопечати приступили в начале 2023 г. и ученые Томского государственного университета. Напечатанные ткани исследователи предлагают использовать в регенеративной медицине, а также на замену лабораторным животным для испытания имплантатов и новых препаратов против рака.
«Задача заключается в получении фундаментальных знаний о процессах развития опухоли и поиске новых методов лечения <…>. Биопринтинг тканей расширит наши исследовательские возможности», — поделилась заведующая лабораторией трансляционной молекулярной и клеточной биомедицины ТГУ Юлия Георгиевна Кжышковска.
Как уже упоминалось выше, важная составляющая биочернил для печати тканей и органов — гидрогели, создающие благоприятную среду для живых клеток. Однако, чтобы подготовка биоинженерной структуры прошла успешно, в геле должна поддерживаться комфортная для клеток температура, контроль которой осложняется тем, что гидрогель — анизотропный материал. Простыми словами, его физико-химические свойства неоднородны. Большой вклад в совершенствование диагностики процессов, протекающих в гидрогелях для биопечати, внес Николай Захаров, молодой ученый из Российского технологического университета МИРЭА. Исследователь впервые получил видеокадры, отражающие особенности теплообмена в гидрогеле в процессе его нагрева, а также позволяющие зафиксировать время начала его плавления и соответствующие этому мгновению предельные тепловые потоки.
Интересную разработку в области биопечати — первый в России геномный принтер — представили в начале 2024 г. исследователи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Система предназначена для массового автоматического синтеза олигонуклеотидов — фрагментов ДНК, из которых затем можно собирать длинные молекулярные цепочки, несущие генетическую информацию. Одно из практических применений технологии — производство лекарств от генетических заболеваний.
«Наши коллеги из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН “сняли” синтезированные последовательности с подложки и провели так называемую лигазную сборку. Дело в том, что последовательности, которые мы синтезировали, не случайные, отдельные их участки частично комплементарны друг другу и при определенных условиях собираются в двойную цепочку. Фермент лигаза сшивает эти последовательности, и в результате получается длинная двойная цепочка ДНК», — объяснил заведующий лабораторией аддитивных технологий и инженерной биологии университета Руслан Магомедтахирович Гадиров.
Наука в невесомости
Испытания возможностей биопечати добрались и до космоса. В конце 2018 г. на Международную космическую станцию прибыл магнитный биопринтер «Орган.Авт» от компании 3D Bioprinting Solutions, адаптированный для работы в условиях невесомости. Еще тогда космонавт Олег Кононенко впервые в истории напечатал с помощью устройства аналоги мышиной щитовидной железы и человеческой хрящевой ткани. А совсем недавно, весной 2024 г. испытания «Орган.Авта» вышли на новый уровень: технология позволила создать на орбите эквивалент трубчатых биоинженерных конструкций. В эксперименте «Магнитная биофабрикация» приняли участие Олег Кононенко и первая женщина-космонавт Беларуси Марина Василевская. В будущем разработка поможет формировать аналоги таких полых образований в организме человека, как сосуды и мочеточник. Партнерами испытания под руководством директора Института биомедицинской инженерии МИСИС Ф.С. Сенатова выступили госкорпорация «Роскосмос», РКК «Энергия», ЦНИИмаш, Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина и организация «Агат».
В основу искусственных трубчатых структур эксперты 3D Bioprinting Solutions положили пластины из специального металл-полимерного материала с памятью формы, разработанного совместно с учеными НИТУ МИСИС. На них был нанесен клеточный материал. При комнатной температуре покрытые клетками пластины оставались ровными, а при нагревании до 36 °C в магнитном поле свернулись в трубчатые структуры с нужными длиной и диаметром. Проведя эксперимент, космонавты зафиксировали полученные конструкции и отправили на Землю для анализа. Эксперимент с подобными материалами состоялся в микрогравитационной среде впервые.
«Успешно полученные результаты лягут в основу исследований по созданию искусственных тканей в условиях невесомости», — сообщила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Анатольевна Черникова.