Биопринтинг - технология будущего
На международном форуме «Открытые инновации» российская лаборатория «3D Bioprinting Solutions» представила свою разработку – первый отечественный биопринтер FABION для печати тканей и органов из тканевых сфероидов.
Руководитель лаборатории, профессор Владимир Миронов
Руководителем лаборатории является один из основателей биопринтинга в России, признанный авторитет в этой области, профессор Университета Вирджинии (США) Владимир Миронов. Персонал лаборатории состоит из квалифицированных биоинженеров, прошедших стажировку в ведущих научных центрах мира. «Опыт нашей лаборатории показывает, что российские головы и руки не так плохи», – шутит Миронов и буквально на глазах начинает генерировать идеи использования биопринтинга, параллельно объясняя суть технологии.
Сущность биопечати
Технология трехмерной печати за последние годы была отработана и поставлена на коммерческие рельсы. Медицинский вариант 3D-печати – биопечать органов – пока развивается относительно медленно, но это временное явление. В основу технологии положена идея формирования тканей и органов из особых клеточных кластеров (сфероидов), которые последовательно распыляются 3D-принтером на биобумагу (гидрогель). Клетки удерживаются внутри таких кластеров благодаря клеточной адгезии. Формирование органа происходит в 3D-принтере, который выстреливает сфероидами по гидрогелю словно чернилами.
«Каждый из нас на этапе эмбрионального развития имел две аорты, которые впоследствии превратились в одну. Следовательно, слияние является нормальным процессом развития, – поясняет Владимир Миронов. – Наше устройство использует способность эмбрионов к слиянию тканей. Это не магия, это эволюция в микромасштабе».
Первый отечественный биопринтер FABION
Сначала биоинженеры создают объемную цифровую модель будущего органа с множеством тончайших срезов, после чего готовая модель передается на принтер, который помещает сфероиды в гидрогель в соответствии с заданным программой алгоритмом.
Тканевые сфероиды, расположенные в вертикальной и горизонтальной плоскости, под действием сил поверхностного натяжения, миграции и перегруппировки сливаются, словно капли масла в воде. В результате формируется трехмерная основа.
Биочернила для медицинской печати культивируются для каждого органа отдельно, из стволовых клеток пациента. Три группы российских ученых из Москвы, Санкт-Петербурга и Новосибирска уже научились выделять из подкожного жира индуцированные полипотентные стволовые клетки.
Технология, разработанная в России, выгодно отличается от зарубежных аналогов тем, что обходится без донорских органов, клеточного материала и каркасов. Самое сложное на современном этапе развития биопринтинга – обеспечить стерильные условия процесса. Биопринтер помещают в стерильный бокс, в котором создается оптимальная среда для работы с живыми клетками. Напечатанные органы могут несколько дней сохранять свою жизнеспособность в перфузионном биореакторе, в специальном растворе.
Возможности биопечати
С помощью 3D-биопринтеров ученым уже удалось напечатать фрагменты кожи, хрящи и сосуды, и испытать их на животных. Для создания более сложных органов необходимо формирование сосудистой сетки (васкуляризация). Ученые планируют встроить сосудистую сетку в орган прямо на этапе биопечати с использованием все тех же тканевых сфероидов. Свойства сфероидов зависят от клеток, из которых они созданы. Если это клетки эпителия, то сфероиды становятся однородными, а если эндотолиальные клетки, то сфероиды становятся люминизированными, с просветом для будущей кровеносной системы. Таким образом, трехмерная печать позволяет использовать различные тканевые сфероиды и собирать из них сложные органические структуры.
«Я не могу сказать, когда мы напечатаем почку. Теоретически на 3D-принтере можно напечатать любой орган. Наверное, в не столь отдаленном будущем это будет именно так, – признается Миронов. – Но если мы создадим что-нибудь попроще, чем почка, то уровень нашей самооценки станет довольно высоким, и мы сможем напечатать почку значительно раньше, чем предполагаем сегодня».
Вот еще одно применение биопечати. С возрастом волосы на голове редеют. С помощью 3D-принтера можно напечатать недостающие луковицы. Сначала необходима биофабрикация луковиц, затем печать волос прямо на голове пациента. В косметологии с помощью биопечати можно устранять морщины, используя аутологичные клетки. 3D-биопринтинг найдет свое применение и в стоматологии, здесь он позволит печатать трехмерную костную ткань из васкуляризированных тканевых сфероидов.
Миронов мечтает запустить первый биопринтер в космос. Но если говорить о более реальных целях и задачах, то сегодня сотрудники лаборатории заняты созданием ручного 3D-принтера типа «биопен», который станет надежным помощником для хирурга. Также планируется выпуск бесклеточной матрицы для «заплаток» на коже, в глазах, на зубах и других органах и тканях человека. «Это все та же клеточная технология с использованием сфероидов, - рассказывает Миронов. – Если убить все клетки – получится бесклеточная матрица, которую гораздо проще вывести на рынок. К сожалению, в России нет законов, которые бы регулировали использование стволовых клеток. Мы же хотим действовать открыто, не нарушая закона, и производить продукт со сроком хранения до двух лет».
Дистанция от зарождения идеи до получения патента обычно составляет 15-20 лет, а вот стоимость любого продукта высоких технологий со временем снижается, порой в тысячи раз. По некоторым прогнозам, 3D-биопринтеры будут постепенно дешеветь. Современные принтеры для трехмерной печати можно купить за 1000-2000 долл. США, завтра то же самое может произойти с биопринтерами, цена которых сегодня колеблется в пределах от 150000-200000 долл. США до миллиона. В мире уже продано десять коммерческих биопринтеров.
3D-биопринтер NovoGen MMX, разработанный Organovo
«Российский биопринтер по ряду функций и показателей лучше своего прямого конкурента – американского биопринтера Organovo. Наша задача – создать самый лучший в мире принтер для биопечати и удерживать лидерство в данной сфере: первыми получить патент (мы уже подали заявку), опубликовать статью в Science, а потом приступить к тестированию напечатанной щитовидной железы. Да, дамы уже готовы с помощью своего 3D-биопринтера напечатать функционирующую щитовидную железу, это произойдет в марте будущего года, – заявляет Миронов. – Щитовидка – это самый простой орган, поэтому мы решили начать именно с него. Между прочим, щитовидная железа стала первым органом, который был пересажен человеку. Это случилось в 1883 году».
Перспективы биопринтинга
Самый главный вопрос, который волнует современных биоинженеров – каковы перспективы биопринтинга, как он будет развиваться дальше? Владимир Миронов дает следующий прогноз: «Через несколько месяцев мы напечатаем трехмерную щитовидную железу. Но не человеческую, а мышиную или крысиную. Чтобы создать человеческий орган и провести клинические испытания, нужно пройти сложную систему сертификации. В США стволовым клеткам посвящено 20 томов научных трудов, и это только протоколы испытаний. Огромный объем работы – вот что самое сложное. Никому не хочется отвечать за риск, безопасность – превыше всего».
Если внедрение продуктов биопринтинга растянется на долгие годы из-за несовершенства законодательства и отсутствия соответствующих стандартов, то возникает закономерный вопрос: «Когда пациенты смогут использовать продукты 3D-биопечати?». По оптимистическим прогнозам клинические испытания, которые выведут разработку на уровень практики, начнутся в течение 10-15 ближайших лет. Срок довольно большой, но приемлемый с точки зрения совершенствования технологии, которой предстоит, по сути, поспорить с природой, и раз и навсегда решить проблему дефицита органов для трансплантации.
