Ученые лишь сравнительно недавно научились печатать на 3D-принтерах и вживлять, в основном животным, отдельные простые ткани, не требующие сосудов (кожу, хрящи и уши), щитовидную железу и части печени. Но кто первым сумеет напечатать ветви сосудов, тот определит и возглавит следующий этап эволюции биопринтинга, нацеленный на создание сложноструктурированных органов, в том числе сердца. Такую цель преследуют сотрудники Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС и энтузиасты лаборатории 3D Bioprinting Solutions, которые и попытаются напечатать в космосе эквиваленты трубчатых органов человека. Отсутствие гравитации позволит клеткам равномерно собраться в единый объект — на Земле это удается сделать только с помощью сильных магнитных полей. Ученые нашли принципиально иной путь создания эквивалентов трубчатых органов — не за счет мощных магнитных воздействий, обеспечить которые очень дорого и сложно, а с помощью уникального и пока засекреченного гибридного материала, обладающего памятью формы. При печати в относительной невесомости он должен заставить живые клетки свернуться в устойчивый эластичный цилиндр — именно это и позволяет назвать новую технологию 4D-биопечатью. Успех такого эксперимента станет еще одним шажком на пути к доступной трансплантологии.

Большой секрет маленькой компании

НИТУ МИСИС — альма-матер множества новых материалов, позволяющих делать невозможное возможным. Суперпрочное, супертермостойкое, суперпластичное и все прочие «супер» и «ультра» в основном рождаются здесь. В Институте биомедицинской инженерии, который работает на стыке материаловедения, медицины и техники для нее, специалисты сейчас готовят биоматериалы и приспособления к отправке на МКС для проведения эксперимента «Магнитная фабрикация», в ходе которого космонавты попробуют напечатать на 3D-биопринтере эквивалент кровеносных сосудов, аорты, мочеточников и прочих органов.

— Сами в космос не летите для чистоты эксперимента?» — спрашиваю встречающего меня в лабиринтах МИСИС директора Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС, кандидата физико-математических наук Федора Сенатова, за плечами которого десятки значимых научных разработок в сфере материаловедения.

— Самому лететь необходимости нет, хотя я бы не отказался, — отвечает ученый. — На Байконур поедет команда наших специалистов, они подготовят материалы и клетки, для которых были разработаны специальные кюветы. Таковых требует материал, обладающий памятью формы. Именно он должен позволить клеткам и коллагену во время печати свернуться в трубочку, причем так, чтобы живые клетки оказались внутри, а не снаружи биополимерной основы. С космонавтами, которые будут проводить манипуляции с биопринтером, мы будем постоянно на связи. Готовую трубчатую биоконструкцию доставят в нашу лабораторию. Если все пройдет успешно, думаю, нам удастся создать кровеносные сосуды на Земле уже года через три. Пока трудно добиться свободной левитации биочастиц в 3D-принтере: нужны магниты мощностью кратно большей, чем те, что там сейчас установлены».

— Как материал может «помнить форму», которую никогда не принимал?

— Существуют материалы с памятью формы, как металлические, так и полимерные, но мало примеров их успешного совмещения с клетками. Материалу различными путями придается нужная временная форма, которая после определенного воздействия, например при нагреве, становится постоянной. В этом эксперименте мы формировали гибридный материал. Вот, кстати, и наш герой. — Сенатов останавливается возле прибора, похожего на закругленную микроволновку. — Первый в мире магнитный биопринтер «Орган.Авт», на таком же будут напечатаны биоэквиваленты трубчатых органов в космосе.

Гонка «биоспринтинга»

«Орган.Авт» создан в той же лаборатории, что и первый российский 3D-биопринтер Fabion, — 3D Bioprinting Solutions, основал которую управляющий партнер компании «Инвитро» Александр Островский. На должность научного руководителя лаборатории он пригласил известного специалиста в области клеточной биологии профессора Владимира Миронова, который до этого много практиковал за рубежом, возглавляя там различные центры биомедицинской направленности. Миронов считается одним из основоположников 3D-биопечати — во всяком случае, за точку отсчета в данной области принято брать его статью об этой технологии, опубликованную в 2003 году.

В том же 2003-м биоинженер Томас Боланд из Университета Клемсона (США) описал метод биопечати, основанный на традиционной технологии струйной печати, для которой был взят принтер компании HP. Вскоре после этого Владимир Миронов с соавторами предложили метод экструзионной биопечати: в качестве клеточного материала использовались не отдельные клетки, наносимые на «каркас», а сфероиды — шарообразные агрегаты из клеток, которые могут сливаться друг с другом, образуя единую тканевую структуру. Идея использования сфероидов пришла к Миронову после экспериментов его коллеги Бобби Томпсона. Томпсон разрезал сердце эмбриона цыпленка, имеющее форму трубки, на отдельные колечки, вывернул их наизнанку и нанизал на цилиндр. В течение нескольких дней колечки срослись и стали сокращаться как единая структура.

Так или иначе, эксперименты в области биопечати функциональных органов начались. Первыми эту идею подхватили трансплантологи, поскольку донорские органы, как и их искусственные заменители, обычно отторгаются организмом и пациентам приходится пожизненно принимать тяжелые антикоагулянты, подавляя иммунную систему. Кроме того, даже в развитых странах доноров по статистике дожидаются в среднем всего 10 из 60 пациентов. 3D-печать открывает поистине революционные перспективы, поскольку предполагает создание нового органа из собственных клеток больного, не вызывающих иммунного сопротивления.

Далее события стали развиваться стремительно: сейчас каждые три‒пять лет появляются новые методы биопечати. В изначальном общем определении биопринтинг — это технология создания тканеинженерных конструкций с использованием клеточного материала. Первично здесь применяли так называемые скаффолды (в переводе с английского — «строительные леса») — каркасы, которые задают нужную форму органа или его части и не позволяют клеткам развалиться. При этом скаффолды имитируют для клеток микроокружение, которое при вживлении способствует формированию ткани заданного типа со всевозможными «ходами» для клеточного обмена. Так клетки получают возможность вести полноценную жизнедеятельность и размножаться. В случае имплантации их система сливается с «инфраструктурой» организма с его сложнейшими биохимическими процессами.

В 2009 году компания Organovo использовала новую технологию для создания первого 3D-биопринтера, который мог печатать без скаффолдов, а в качестве материала использовал сфероиды — скопления из тысяч клеток, способных к самоорганизации. Сфероиды скрепляют с гидрогелем, позволяющим клеткам удерживать форму. С их помощью сейчас создаются частицы кожи, хрящи и другие простые органы.

В 2019 году израильским ученым удалось напечатать человеческое сердце — правда, размером с сердце кролика, но с сетью кровеносных сосудов, способных сокращаться. Искусственный орган имитировал функции натурального, но лишь на столе в лаборатории. Это был, так сказать, демообразец, доказавший, что повторить архитектуру органа вполне возможно (для трансплантации напечатанное сердце изначально не годилось, поскольку не были соблюдены биохимические параметры).

Сейчас биопринтингом занимаются сотни лабораторий и научных центров в мире и более десятка в России, а рынок биопринтеров и материалов разных видов оценивается в 2,3 млрд долларов с прогнозом роста до 8 млрд к 2028 году. Но коммерческого применения биопринтинг пока не нашел — это чистой воды наука.

Мышка не пострадала

Классическая технология 3D-биопринтинга — это в основном экструзия, то есть выдавливание биоматериала с клетками из головки принтера. Клетки сначала берут у донора, затем подготавливают в биореакторе, смешивают со вспомогательными веществами и наконец послойно наносят в заданной в соответствии с цифровой моделью последовательности. Лаборатория 3D Bioprinting Solutions в 2014 году представила первый российский биопринтер Fabion, который позволял печатать сложные тканеинженерные конструкции с разными клетками и плотностями ткани. Для соединения клеток в устройстве разработали особые «чернила», сделанные на основе свиного коллагена. Сейчас аналогичные принтеры выпускают примерно 80 компаний, но Fabion уверенно входит в пятерку ведущих, уступая лишь конкурентам из США, Германии и Швейцарии.

Уже в 2015 году на Fabion напечатали первый в мире функциональный органный конструкт щитовидной железы мыши, который при имплантации животному продуцировал нужные гормоны.

Следующим шагом российских ученых стало развитие новой технологии — формативной биопечати, при которой сборка тканеинженерных структур из сфероидов происходит с помощью магнитов. Сфероиды левитируют в магнитном поле и собираются в его центре в один объект равномерно со всех сторон. Но для того чтобы сфероиды левитировали, в их культуральную среду приходится добавлять специальное парамагнитное вещество, в больших концентрациях токсичное для клеток. Снизить концентрацию можно с помощью высокоинтенсивного магнитного поля или же в невесомости. Установка, обеспечивающая высокоинтенсивное магнитное поле, есть в голландском Неймегене — там и провели первый эксперимент по сборке трубчатого конструкта из гладкомышечных клеток человека.

«В наших опытах используются не только магнитные, но и акустические поля. Мы изготовили специальную муфту к кюветам с клетками для более устойчивого удержания клеток в состоянии левитации, по сути невесомости, которая и обеспечивает равномерность внутренней структуры ткани, — рассказывает соучредитель и управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Таким образом мы добились создания сложных форм и в целом получили хороший результат. Правда, этот способ непрактичен: мощность магнитов составила 19 Тесла, поэтому для эксперимента требуется большое количество электроэнергии».

Первый не пошел…

Следующим шагом стало проведение эксперимента в невесомости. В 2017 году специалисты 3D Bioprinting Solutions создали ставший легендарным «Орган.Авт», снабженный шестью магнитами для левитации сфероидов.

Правда, первая попытка вывести установку за пределы земной гравитации оказалась неудачной: 11 октября 2018 года при старте космического корабля «Союз МС-10» произошла авария. Экипажу в составе россиянина Алексея Овчинина и американца Тайлера Хейга удалось эвакуироваться в спускаемом аппарате. Принтер серьезно пострадал и после реставрации был передан в Музей космонавтики на ВДНХ. Теперь у него есть три собрата: два в МИСИС, а третий на МКС. «Уже в декабре на МКС впервые в мире были напечатаны методом магнитной левитации тканеинженерные конструкты хряща и щитовидной железы крысы, — вспоминает Юсеф Хесуани. — Наши коллеги в НАСА пошли несколько другим путем: если мы используем микрогравитацию в космосе как триггер для создания трехмерных объектов, то они, напротив, пытаются ее побороть».

Раны лечат на ходу

«У нас здесь собран самый большой в стране парк биопринтеров, целых девять, — не без гордости говорит Федор Сенатов, приглашая в самую главную лабораторию тканевой инженерии и регенеративной медицины, где, собственно, и происходит 3D-биопечать. — Они все разные по принципу действия, что позволяет нам работать с разными тканями и материалами в разных условиях».

Мое внимание привлекает кусочек «фарша» в чашке Петри на принтере Fabion-2. «Это и есть прототип будущей щитовидной железы, один из множества образцов, — поясняет директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС. — На таком мы напечатали ушную раковину свиньи, которую в январе вживили экспериментальному минипигу совместно с Национальным медицинским исследовательским центром оториноларингологии ФМБА России». Орган прижился успешно, и сейчас коллектив готовится к клинической трансляции.

«В клиническом применении имплантатов ушных раковин мы немного отстаем от коллег из США, которые недавно успешно вживили напечатанное ухо человеку. Но у нас есть своя гордость: мы первыми в мире в декабре прошлого года провели в госпитальных условиях биопечать in situ, то есть на самом человеке», — рассказывает Федор Сенатов, подводя к роботизированной руке, которая в то же время является биопринтером. Принципиальное отличие от классического 3D-биопринтинга заключается в том, что данное устройство снабжено системой компьютерного зрения, которая позволяет корректировать перемещение печатающей головки в зависимости от движения пациента при дыхании и сердцебиении.

Операция была проведена в Главном военном клиническом госпитале им. академика Н. Н. Бурденко в Москве. Врачам совместно с робоиженерами предстояло «залатать» обширную рану в области плеча и лопатки. Причем рана была глубокая и со сложным рельефом, что затрудняло моделирование направления движения головки принтера «руки». Хирург смешал собственные клетки пациента со специальным гидрогелем на основе коллагена, способствующего регенерации тканей, а робоинженер поместил смесь в шприц биопринтера.

— Говорят, все это дорого и долго, — добавляю скепсиса к нашей беседе.

— Но уже не так, как раньше, — парирует Федор Сенатов. — Первые компьютеры стоили баснословных денег, как и мобильные телефоны. А биопринтинг развивается быстрее прочих медицинских технологий. Если не считать времени, потраченного на исследования, то создание имплантата ушной раковины потребовало нескольких недель, которые ушли в основном на подготовку клеток. Сама трансплантация длилась, как обычно, часа два. А вот операция с биопечатью методом in situ может занять от пары десятков минут до несколько часов».

Юсеф Хесуани из 3D Bioprinting Solutions уверен, что в ближайшем будущем в практической плоскости биопринтинг будет развиваться именно в направлении in situ, печати на человеке: «Продолжая исследования в области создания полных функциональных органов, которые появятся, может быть, лет через тридцать, ученые будут совершенствовать технологии, которые позволяют заживлять раны или компенсировать утраченные ткани прямо на пациенте. Этот метод не требует длительной подготовки ткани и матрицы для нее, он относительно дешев. А функцию биореактора для доращивания клеток выполняет сам организм человека. Например, операция в госпитале имени Бурденко с учетом стоимости материала, работы врачей и инженеров обошлась примерно в несколько десятков тысяч рублей». 3D Bioprinting Solutions совместно с центром биомедицинской инженерии сейчас дорабатывает биопринтер in situ на основе отечественного робота Rozum Robotics, добавляя к нему функцию обратной связи и искусственный интеллект. Здесь также сконструировали биопистолет, который позволит заживлять раны в полевых условиях, и компактный биопринтер для тех же целей. «Но, чтобы поставить такие операции на поток, необходимо зарегистрировать прибор как медицинское изделие, пройдя все необходимые этапы сертификации. А это не один год испытаний», — заключает Юсеф Хесуани.