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.
4979
3
0
- ВКонтакте
- РћРТвЂВВВВВВВВнокласснРСвЂВВВВВВВВРєРСвЂВВВВВВВВ
- Telegram
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
