Во всем мире ученые бьются над решением проблемы нехватки органов для трансплантации, выдвигая идеи разной степени химеричности, вплоть до пересадки людям органов от свиньи или выращивания их на специальных каркасах в теле животного. Переоценить значимость этого трудно, особенно в случае с почкой. По статистике Всемирной организации здравоохранения, в мире ежегодно делается более 100 тыс. операция по трансплантации органов (не более 10% от требуемых), из них почти 70 тыс. приходится на почку. В России 20 тыс. человек на диализе. Пока у них есть лишь призрачная надежда на пересадку. Ученые говорят о существовании «доказательства технологии» — возможности создания трехмерного органа из человеческих клеток для имплантации на 3D-принтере. Но до сих пор «напечатанные» органы — это лишь лабораторные экспонаты.
Что такое трехмерная органная биопечать? Сначала создается компьютерная модель органа, который предварительно сканируется. Для самого процесса биопечати нужны биочернила — живые клетки, биобумага — гидрогель, «носитель» или «клей» для клеток, и принтер, который «фабрикует» конструкт органа из множества слоев клеточного материала. На выходе мы имеем упрощенный функциональный орган. Причем при известной степени развития технологии он будет делаться из клеток самого пациента, что решит проблему с отторжением донорских органов, из-за чего многие пациенты всю жизнь после пересадки сидят на таблетках.
Первый патент в области трехмерной биопечати был получен в начале 2000-х. Сегодня биопринтеры и оборудование для лабораторий делают несколько десятков компаний. Лидирует по динамике патентных заявок американская Organovo, собравшая первый биопринтер Novogen MMX. Российская лаборатория 3D Bioprinting Solutions (основной инвестор — медицинская компания «Инвитро») открылась в 2013 году. «Тогда мы были пятой или шестой коммерческой лабораторией в мире в области биопринтинга, — говорит исполнительный директор Юсеф Хесуани. — Сейчас их больше сорока, а с научными — более 350».
Компании используют разные биоматериалы и роботические устройства. 3D Bioprinting Solutions работает по технологии, которую при участии научного руководителя лаборатории Владимира Миронова, одного из основоположников технологии трехмерной биопечати и профессора инженерной школы департамента химико-биологической инженерии Университета штата Вирджиния (США), начинали разрабатывать в Южной Каролине. Это метод печати не отдельными клетками, а их агломератами — так называемыми сфероидами (это довольно крупные частицы, каждая состоит из нескольких тысяч клеток и в три раза толще человеческого волоса). Размещенные рядом, они сливаются, образуя микроткань. Этот естественный процесс известен из эмбриогенеза. Плюс метода в том, что с помощью таких «биологических ячеек» орган можно построить, не используя дополнительных биоматериалов; кроме того, сильно увеличивается скорость печати.
В 3D Bioprinting Solutions освоили технологию массового производства тканевых сфероидов стандартного размера: для этого клетки помещаются в установку с агарозным гелем (гель, предназначенный для выращивания бактерий) в виде туннелеобразной структуры, в которой они собираются в шарообразные конструкты.
Все это звучит как научная фантастика, и не удивительно, что Владимира Миронова и его команду в 2003 году, когда они только обнародовали эту технологию, называли «мечтателями». Но мечта, похоже, обрастает живой плотью.
Щитовидка за двадцать минут
В 3D Bioprinting Solutions в 2014 году создали 3D-биопринтер «Фабион», печатающий сфероидами. На устройство и способы производства трехмерных объектов с его помощью получен патент. Подобными технологиями в России занимается еще несколько компаний, но формально разработка заявлена только у 3D Bioprinting Solutions, кстати, резидента кластера биомедицинских технологий фонда «Сколково».
Юсеф Хесуани демонстрирует биопринтер и замечает, что тот «в последнее время сильно увеличился в объемах». Добавились новые форсунки. Всего их у «Фабиона» пять, три из них для биочернил — либо сфероидов, либо клеток, заключенных в гель, еще две — для биобумаги. От зарубежных аналогов «Фабион» отличает способность работать с максимальным количеством материалов.
Первой «распечаткой» «Фабиона» стал конструкт щитовидной железы мыши из эмбриональных мышиных эксплантов, который затем имплантировали группе мышей. Щитовидку выбрали из-за относительно простоты ее структуры с анатомической и функциональной точки зрения. Для России этот эксперимент, проведенный в 2015 году, до сих пор уникален, а в мире подобные уже проводились: американцы недавно напечатали синтетические яичники из желатиновых «чернил» на биопринтере и пересадили их бесплодным мышам, у которых потом родились мышата. В России же в основном печатают на 3D-биопринтере плоские структуры, такие как кожа или хрящ.
«Родная» щитовидная железа мыши была уничтожена радиоактивным 131-м йодом, в итоге уровень гормонов снизился до нуля. После пересадки конструкта, отпечатанного на принтере приблизительно за двадцать минут, через несколько недель подсаженный под капсулу почки «тканеинженерный конструкт» восстановил функцию щитовидки более чем на 50%. Под почку щитовидку подсадили потому, что там удобно сделать «карман» и быстро формируются новые кровеносные сосуды.
Эксперимент провели «всем миром». «Я больше всего горжусь международной коллаборацией, которую мы создали, — признается Юсеф Хесуани. — Мы работаем со Стэнфордом и Гарвардом, с учеными из Бразилии, Китая, Германии, Израиля и еще ряда стран».
Железное терпение
Очевидно, что следующий логический шаг ученых после печати щитовидной железы мыши — железа человеческая, иначе зачем все это? Это сложный путь, так как на данном этапе 3D Bioprinting Solutions не хватает клеточного материала для исследований. Ученые работают с клетками щитовидной железы человека, полученными от пациентов после операции, пытаясь «нарастить» их объем, но это очень медленный процесс. Дело в том, что пока не реализована технология, которая в дальнейшем должна раз и навсегда решить вопрос с клеточным материалом для биопечати: когда будут выделять стволовые клетки, а затем «размножать» их, наращивать до нужного объема и программировать. «Находкой» для биопринтинга могут стать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (IPS-клетки), за открытие которых в 2012 году была присуждена Нобелевская премия. По функциям они близки к настоящим эмбриональным. Есть исследования, доказывающие, что из них можно получить клеточные ткани, специфичные для того или иного органа.
Получив необходимое количество клеток, нужно еще преобразовать их в сфероиды. По расчетам ученых, для создания органов потребуются сотни тысяч единиц. А значит, нужно будет роботизированное производство сфероидов индустриального масштаба.
Второе узкое место биопечати на сегодня — необходимость создавать не просто конструкт органа, но и артериальную, венозную, выводную системы. Иными словами, построить сосудистое «дерево» внутри органа. «Мы пока делаем микроскопические органы, потому что, когда образуется более объемная структура, клетки в центре начинают умирать из-за отсутствия питательных веществ», — объясняет Юсеф Хесуани.
У ученых уже есть понимание, как с помощью различных типов сфероидов можно напечатать артерии и капилляры. По большому счету, непреодолимых технологических барьеров для создания жизнеспособных печатных органов не существует, как не раз заявлял Владимир Миронов. Но если для реализации сложнейшей технологии биопечати потребуются, скажем, сотни лет, кому от этого сегодня легче?
«Улетные» технологии
3D Bioprinting Solutions готова развивать новые технологии биопечати, ведь существующие не обеспечивают прорыва. Две новые технологии, которые лаборатория пытается сейчас реализовать, — биопринтинг, основанный на управлении силами Фарадея и магнитной левитации, а также акустический биопринтинг. В этом году планируется сделать магнитный принтер.
Суть метода в том, что с помощью магнитного поля, математически смоделированного, можно манипулировать сфероидами. Под действием магнитных волн клетки собираются в конструкты нужной формы, говорит Юсеф Хесуани, показывая, как сфероиды, сделанные из хрящевой ткани барана, левитируют на специальной подложке, растягиваются и стягиваются. К примеру, шарообразную структуру из сфероидов можно сделать таким образом почти мгновенно — а при классических аддитивных технологиях нужно выдавливать слой за слоем из экструдера.
С магнитным принтингом связан совместный проект 3D Bioprinting Solutions и «Роскосмоса», который запланировал эксперимент по трехмерной печати живыми тканями на борту МКС в магнитном принтере. «Роскосмос» хочет исследовать влияние на человека гамма-излучения на человеческих клетках вместо «традиционных» мышей и крыс.
У «биоинженеров» тоже есть причины устремиться в космос. Чтобы создавать из сфероидов, например, трубчатые структуры в магнитной установке, приходится бороться с земной гравитацией, используя мощные магниты и парасупермагнетики, которые в высоких концентрациях токсичны для клеток. В космосе потребность в этом частично отпадет. Кроме того, в космосе можно наблюдать за поведением клеток в условиях микрогравитации: в невесомости повышается возможность слияния клеток и образования трехмерных структур. Клетки эндотелия начинают произвольно формировать сосуды, и если удастся взять эти процессы под контроль, возможно, получится создавать большие конструкты уже с сосудистым руслом.
В то же время 3D Bioprinting Solutions разрабатывает совместно с физфаком МГУ акустический принтер. Это один из первых в мире опытов такого рода. В акустической установке используется трехмерный «акустический пинцет». Изменяя амплитуду звука, можно перемещать клетки по горизонтали и вертикали и формировать из них трехмерные конструкции. Технология многообещающая, так как акустический «захват» — идеальный инструмент для манипулирования живыми клетками, не повреждающий их, в отличие, например, от лазерного 3D-биопринтера (когда сфероиды вылетают из принтера, часть клеток сразу разрывается.)
Дела земные
Как на данный момент коммерциализируется российский биопринтинг? Вопрос немаловажный, ведь 3D Bioprinting Solutions — коммерческое предприятие. Лаборатория получает грантовую поддержку в России и за рубежом, в том числе от «Сколково» и Минобрнауки, однако большинство проектов делается на средства соучредителей.
3D Bioprinting Solutions поставляет свои принтеры в университеты. Обычно они используются для проведения исследований, в том числе по заказу фармацевтических компаний. Устройство в базовой комплектации стоит 150 тыс. долларов плюс сервисный контракт.
На поток продажу биопринтеров, впрочем, не поставишь, это слишком дорогое и специализированное оборудование. У 3D Bioprinting Solutions, как и у других компаний, работающих в области биопечати, есть второй источник дохода — исследования на трехмерных клеточных структурах свойств лекарственных препаратов и различных моделей заболеваний для фармацевтических компаний. В последние два года спрос на подобные исследования в мире растет, правда, российские компании еще нужно знакомить с этими возможностями. Пока лаборатория работает только с зарубежными контрагентами.
До тех пор пока не напечатаны и не пересажены человеческие органы, трудно говорить о больших коммерческих перспективах биопечати. По прогнозу National Intelligence Council (Национальный разведывательный совет США), к 2030 году с высокой вероятностью начнут массово пересаживать человеку плоские структуры — кожу и хрящевую ткань. Неужели даже на ближайшее десятилетие нет надежды на биофабрикацию объемных органов?
В Японии принята государственная программа, разработки в области создания органов, которую финансирует государство. В США много лет работает Organovo — единственная в мире публичная компания в сфере биопринтинга с капитализацией более 250 млн долларов. Но никто не может гарантировать, что именно в этих странах и произойдет прорыв. В научном мире не все определяется объемом финансирования, хотя оборудование для исследований очень дорогое. Но сработать может любая биотехнология, причем не обязательно это будет биопечать. Так что у небольших лабораторий, вероятно, такой же шанс на успех, как у гигантов, которые стоят сотни миллионов долларов. Определенно можно сказать только то, что количество участников рынка биопечати в ближайшей перспективе будет расти.
