текст
Напечатай мне почку
Совсем недавно 3D-печать органов представлялась нам исключительно в декорациях научного триллера… И вот мы уже беседуем о ближайших перспективах биопринтинга с человеком, имеющим к нему самое прямое отношение. В гостях у «ММ» – научный руководитель компании 3D Bioprinting Solutions Владимир Миронов.
Владимир Александрович Миронов
Научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions. Кандидат медицинских наук, профессор Университета Содружества Виргинии (США). Организатор Центра продвинутой биофабрикации в рамках Медицинского университета Южной Каролины (США). Соавтор трех медицинских патентов. Автор первой публикации о биопечати органов.
– Владимир Александрович, что такое биопечать органов, и на какой стадии развития она сейчас находится?
– Несколько лет назад авторитетный журнал The Economist признал технологию биопечати частью третьей или даже четвертой индустриальной цифровой революции. Определение трехмерной биопечати непростое: это роботическое, компьютерное, послойное производство трехмерных функциональных тканей и органов согласно цифровой модели. То есть мы не просто капаем клетки, а сначала создаем виртуальную модель органа, с помощью компьютерных программ делим его на срезы и переносим данные на принтер, который начинает, следуя инструкции, послойную печать. Сначала в 3D печатали полимеры, керамику, металлы, но не органы. Я начинал разработки в Медицинском университете Южной Каролины в 2002–2003 годах. Первая публикация произвела своеобразный эффект – коллеги смеялись и называли печать органов фантастикой. Сейчас ей посвящено уже шесть учебников, производством занято 80 компаний. Цена трехмерного биопринтера колеблется от $50 тыс. до 1 млн. Каждый год появляются новые центры биопринтинга. Наша компания дислоцируется в Москве, также есть представительство в Нью-Йорке. В общем, вся база есть, но пока ничего нет в клиниках. Чтобы получить разрешение на трансплантацию, нужно пройти сложные барьеры проверки.
– А насколько остро сейчас стоит вопрос пересадки органов?
– Сама технология трансплантации человеческих органов налажена: специальные организации отслеживают ее, создают списки нуждающихся. Но давайте оперировать фактами: в Китае примерно полтора миллиона людей нуждаются в донорских органах. В США пересадка органов за деньги уголовно наказуема – это четыре года тюрьмы. Есть черный бизнес, когда люди почти даром продают свою почку, а затем в другой стране клиенты платят за нее огромные деньги. В Китае до 2007 года 95 % донорских органов брали у осужденных после смертной казни. Это все неприятные свидетельства того, что органов катастрофически не хватает. В мире каждый день умирают сотни людей, которые не успели дождаться трансплантации. На меня как на медика это давит психологически. Но торопиться нельзя, главный принцип медицины – не навреди. Да, трехмерная биопечать должна решить вопрос острой нехватки органов для трансплантации, и хочется верить, что навсегда. Более того, мы хотим использовать аутологичные клетки, не вызывающие иммунную реакцию, – пациенту не придется всю жизнь принимать иммунносупрессивные препараты.
– Расскажите о технологии 3D-биопринтинга.
– Первое и самое главное, что требуется, – цифровая модель органа. Создать трехмерное изображение сердца, легкого, печени или почки технически уже не сложно. Оно переводится в специальный формат STL (Stereolithography, формат файла, используемый для хранения трехмерных моделей объектов. – Ред.) – для этого тоже разработана специальная компьютерная программа. Далее уже возникают другие вопросы – из чего печатать и как. Если я хочу, например, создать таким образом кости, то сначала печатаю специальную «поленницу» из биоразлагаемого полимера, затем «сажаю» на нее костные клетки, которые начинают синтезировать межклеточное вещество, а напечатанная «поленница» при этом постепенно распадается, или деградирует. На месте этого временного поддерживающего устройства – мы его называем скаффолд (англ. scaffold – леса, подмостки) – растет уже настоящая ткань. Но это только трехмерная печать и еще не биопринтинг. В данном случае мы не печатаем сами клетки, а добавляем их после. А вот при биопечати одновременно печатаются и живые клетки, и поддерживающие их скаффолды.
Существуют разные подходы к технологии: можно использовать простой струйный принтер или лазер. Есть трехмерные биопринтеры, основанные на принципе роботической руки. Такое устройство может печатать в условиях операционной: вводит шприц непосредственно в поврежденную область и по программе одновременно диспенсирует клетки и поддерживающий материал (гидрогель). Потом все переносится в биореактор – специальный резервуар с особой жидкостью, поддерживающей жизнеспособность клеток и тканей. В нем орган «дозревает».
Система ультрафиолетового излучения для полимеризации подложки. Фото: www.bioprinting.ru
– Мы используем не отдельные клетки, а клеточные агрегаты, или тканевые сфероиды. Тканевый сфероид состоит из одной-двух тысяч очень плотно упакованных клеток. Объем клетки – примерно 10–15 мкм. Если печатать орган толщиной 5 см клеточным способом, весь процесс продлится две недели. В нашем случае выходит четыре тканевых сфероида размером 250 мкм, которые вместе составляют 1 мм. Чтобы напечатать человеческую почку толщиной 50 мм, потребуется около 200 слоев. С таким заданием современные трехмерные бипринтеры вполне могут справиться.
Еще у сфероидов уникальная способность: если их положить рядом, они начинают сливаться на тканевом уровне. А если совместить и горизонтально, и вертикально, получится трехмерная ткань. Основная проблема заключается в печати кровеносных сосудов: при расстоянии между капиллярами меньше 10 мк начнется гипоксия, и наступит клеточная смерть. Поэтому мы разработали технологию трехмерной биопечати органов с уже встроенным сосудистым деревом.
– Что происходит после изготовления органа?
– Мы следим за его созреванием. Здесь главное – использовать неинвазивные, недеструктивные методы биомониторинга. Как работают кулинары? Им нужно понюхать, попробовать, на вилочку наколоть. Вот и здесь то же самое, но вилочку брать нельзя! А ориентироваться по запаху, цвету, температуре. Вдобавок мы хотим использовать ультразвук, лазер, электрический ток – сделать перфузионный биореактор, который не только позволит сохранить орган, но обеспечит его созревание и проконтролирует, что он живой и способен выполнять свои функции. Ну и конечно все должно быть стерильно и соответствовать жестким требованиям национальных регулирующих агентств.
– О каких общих и ваших результатах можно говорить уже сегодня?
– Результаты только положительные: на сегодняшний день нами и другими группами ученых уже напечатаны кожа, хрящ, кость, кровеносные сосуды. Это все относительно простые ткани.
Если говорить о нашей компании, то мы уже в Google Trend, нас знают и русские СМИ, и зарубежные. Впервые мы привлекли внимание, когда объявили о первом российском трехмерном биопринтере «Фабион-1». По мультифункциональности это пока лучший в мире инструмент. Когда начали формироваться международные рейтинги, нас поставили на четвертое-пятое место после Швейцарии, США и Германии.
С проектом 3D-биопринтинга мы участвуем в крупном европейском конкурсе MEGASCIENCE, где соревнуются «Развивающиеся технологии будущего». Наш проект изначально был назван эффектно – «Hope: Human Organ Printing Era» («Надежда: Эпоха биопечати органов»). После шорт-листинга у нас пока 24 голоса, у лидера IT In Healthcare – 35.
Напечатанный орган не только был жизнеспособным, но и выполнял свою функцию
– Да, год назад мы впервые в мире напечатали органный конструкт – щитовидную железу мыши. Это очень простой эндокринный орган с фолликулами и кровеносными сосудами, в котором продукты секреции сразу идут в кровь, поэтому мы и выбрали его. Перед экспериментом мы съездили в Бельгию и научились выделять эмбриональные экспланты (группа клеток, отделенная от материнского организма. – Ред.) щитовидной железы мыши. Их мы взяли у мышки на 14-й день эмбрионального развития. Округлили, напечатали – все получилось красиво.
Био-принтер 3D Bioprinting Solutions. Фото: www.bioprenting.ru
– Ввели животному радиоактивный йод, тем самым «выключив» его собственную щитовидную железу. Все прошло успешно: напечатанный орган не только был жизнеспособным, но и выполнял свою функцию – синтезировал тироксин, главный гормон щитовидной железы.
– Наверное, когда так же начнут создавать человеческие органы, произойдет революция в медицине.
– Да, трансплантировать 3D-орган человеку, в первую очередь, почку – это моя главная мечта. Популярно мнение, что новатор, который пересадит напечатанную почку, не останется без Нобелевской премии. Но, как говорит мой брат, тоже ученый: «Неважно, получишь ты Нобелевскую премию или нет, главное – работать на этом уровне». Если мы напечатаем почку, докажем ее функциональность in vivo (внутри живого организма), пересадим человеку, и он выживет, и я еще застану этот момент – то можно будет сказать: жизнь прожита не зря.
– Расскажите о вашем будущем эксперименте с «Роскосмосом».
– Мы собираемся напечатать 3D-орган в космосе. Невесомость сыграет на руку – уже не потребуется конструирование многослойности. Вместо полимерных скаффолдов мы будем использовать магнитное или электрическое поле. Сначала решили, что надо все клетки метить магнитными нано-частичками, но потом нашли другое решение – с применением солей диамагнетиков. Но эти вещества токсичны. Поэтому требуется либо использовать очень мощный и дорогой магнит, либо проводить эксперимент в космосе. Мы выбрали второе.
Я занимался подобными космическими исследованиями еще в США, когда мы получили грант от NASA, и решил продолжить проект здесь, в России. Мы хотим проверить, как космическая радиация влияет на репродуктивную функцию человека. Как вы знаете, органы, отвечающие за продуцирование половых клеток, то есть яичники у женщин и семенники у мужчин, особо чувствительны к радиации. Вот их мы хотим напечатать и отправить в космос.
Кроме того, мы планируем напечатать в космосе и другие органы – хрящ, мышцы, костный мозг, щитовидную железу, чтобы изучить эффекты невесомости и космической радиации. Проект когда-нибудь принесет вполне практическую пользу: перед тем, как отправлять поселенцев на Марс, следует проверить, будет ли у этих людей потомство, и какие контрмеры можно предпринять.
– В каких еще направлениях вы сейчас работаете?
– Мы работаем в трех потенциальных направлениях – это трансплантация органов, биопечать волос и профилактика диабета. Совместно с учеными из Бразилии, Китая, ЮАР и Индии разрабатываем подкожное устройство из тканевых сфероидов клеток, которые продуцируют инсулин. Устройство имплантируется подкожно – и у человека нет диабета. Технология работает только для диабета второго типа, так как у первого антитела разрушат имплантат. Рынок – можете себе представить: почти полмиллиарда людей в мире страдают от диабета (народ ведь любит сладкое и не любит двигаться).
Второе направление – это биопечать волос. Можно использовать такой метод: взять стволовые клетки эпидермиса и дермы, сделать из них два шарика – образуется волос. Наш соотечественник, Алексей Терских, сейчас работает над этим в Калифорнии. Но проблема его технологии в том, что волосы начинают расти в разных направлениях. Поэтому мы придумали капиллинсер (capillo – «волос», insert – «вставлять»). Это такой «мешочек» с нужными клетками, который вставляется в кожу. Волосы начинают расти, а капиллинсер со временем распадается. Так что ждите – грядут новые парикмахерские, где люди будут не стричься, а печатать волосы.
Для такой деятельности нужны молодые люди с горящими глазами
– Как дальше будет развиваться биопринтинг в мире?
– Если ссылаться на сообщение «Совета национальной разведки» (ЦРУ), к 2030 году биопечать 3D-органов будет запущена в производство. Японские ученые планируют в 2019 году создать печень, но по другой технологии: когда в вену, которая идет в орган, вкалываются маленькие шарики, состоящие из клеток печени.
Ученые уже могут печатать мясо «из пробирки». Оптогенетики занимаются биороботами – с помощью их технологий можно создать устройство по подобию живого существа, которое под действием лазера будет бегать, плавать, прыгать и летать. И ученые уже разработали искусственную медузу и рыбку. Летающих биороботов пока нет – их создание тоже входит в планы нашей компании. Выбираем между дирижаблем или ракетой, последнее время склоняемся к биоракете. Конечно, есть множество желающих использовать подобные технологии как биологическое оружие. Меня больше мучает другой вопрос: если мы в 2017 году способны сделать такое устройство, что нас ждет через 50 лет? Можно думать о создании человекообразных биороботов, и это уже сейчас будоражит воображение.
– Мне кажется, для таких разработок нужны не только специальные знания, но и особый полет фантазии.
– Вообще это интересно, например, мне как-то приснилось, что я хочу напечатать на биопринтере сердце: взял клетки, и они вращаются-вращаются, а потом щелк – моментально соединились в форму сердца, и оно начало биться. Коллеги мне сказали: «Дааа, класс! Круто! Но как это сделать?» А потом проект с использованием магнитного поля оказался реальностью. Для такой деятельности нужны молодые люди с горящими глазами. В этом и состоит моя миссия – подготовить смену. Научить можно почти каждого, но без мотивации, устремленности ничего не получится. Хочется создавать что-то новое и оригинальное, а главное – нужное, и не только себе во благо, но и людям. Лично для меня это главная мотивация. Русская культура, традиции отечественной науки и технологии – все это в хорошем смысле «давит» и очень меня вдохновляет сделать здесь такое, что будет конкурентоспособно на мировом уровне, а главное – решит очень серьезную проблему. Хочется в который раз продемонстрировать всему миру, что, как писал родоначальник российской науки Михаил Ломоносов, «Может собственных Платонов / И быстрых разумом Невтонов / Российская земля рождать».
Личность
Любовь Фельзингер
Машины и Механизмы
Всего 3 комментария
Открыть
Свернуть
Комментировать
-
А как насчет печати зубов? Это значительно актуальней. Сотни миллионов людей молились бы на это чудо!
-
Напечатать-то зуб можно, но его же, главное, вставить)
-
-
Нееее! Печатаем прямо в полости рта в подготовленном месте! Это уже не протез!
Всё в дыму (18+)
«Кеплер», «Хаббл» и галактическая механика
Страна со странностями 
Вселенная мозга: как мы устроены? «ММ» на выставке о самом главном
