Сегодня технологии в области регенеративной медицины стремительно развиваются. Одно из многообещающих направлений – 3D-биопринтинг, или биопечать. Инновация, в частности, позволит решить проблему нехватки донорских органов и тестировать новые лекарства.
Как далеко российские ученые продвинулись в этой области и когда новые методы войдут в повседневную практику, разобрался портал наука.рф.
Как правильно выбрать «чернила»?
Биопринтинг – сложный процесс, который состоит из нескольких этапов. Во-первых, нужно создать компьютерную модель органа с учетом индивидуальных особенностей пациента. Помимо самого принтера, потребуются расходные материалы. Иногда их называют «чернилами», однако в данном случае они куда сложнее, нежели паста шариковой ручки. Кроме того, может понадобиться каркас, на котором будет сформирована необходимая структура.
Один из наиболее сложных этапов – подобрать подходящую основу. Для печати человеческой ткани недостаточно воссоздать ее структуру и функцию. Нужно, чтобы клетки иммунной системы ее приняли, «признали» своей. Поэтому в биопринтинге используют клетки пациента. Однако и здесь подойдут не любые. Ткани человека состоят из различных видов клеток и каждый из них уникален.
Так, ученые Первого Московского государственного медицинского университета (Первый МГМУ) им. Сеченова пришли к выводу, что лучше всего для биологических имплантов сосудов, костей и хрящей на 3D-принтере подходят клетки со слизистой оболочки десны, а для искусственной кожи – стволовые клетки жировой ткани.
Чтобы это выяснить, специалисты использовали для биопечати сфероиды (группы клеток, образующих трехмерные структуры) из так называемых мезенхимных стромальных клеток (МСК). Их можно выделить из большого числа тканей и органов человека, в числе которых, в частности, костный мозг, жировая ткань, пуповина и десна. МСК хорошо развиваются в лабораторных условиях, играют важную роль в регуляции воспалительных реакций и регенерации в организме, поэтому широко используются в тканевой инженерии и клеточной терапии во всем мире. В данном случае исследователи взяли сфероиды из МСК десны и жировой ткани и изучили их поведение, в том числе миграцию и темпы деления в формируемых конструктах.
Оказалось, что МСК из десны формируют более вытянутые структуры, которые морфологически похожи на капилляры. Кроме того, они активно развиваются в остеогенном (костном) и хондрогенном (хрящевом) направлениях. МСК из жировой ткани, напротив, формируют плотные клеточные объекты, которые быстро заселяют весь конструкт и лучше развиваются в адипогенном направлении (то есть, превращаются в клетки жировой ткани), что зачастую важно для создания мягких тканей и кожи.
Ушные раковины из… коллагена
Печатать крупные органы пока довольно сложно. Одна из основных проблем – сохранить их жизнеспособность до пересадки. Для этого, в частности, нужно создать сеть кровеносных сосудов и обеспечить питание органов уже в процессе печати. Поэтому технология позволяет создавать пока только небольшие объекты.
Так, в прошлом году ученые Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) МИСИС разработали ушные раковины. Каркас для таких органов должен быть достаточно жестким, чтобы ухо держало форму после пересадки, при этом его часть должна рассасываться и замещаться тканями пациента. Поэтому в качестве биочернил специалисты использовали распространенный в организме белок – коллаген. В имплантате формировались уже не отдельные клетки, а целые фрагменты ткани.
Эксперименты проходили в Центре отоларингологии Федерального медико-биологического агентства. Результаты показали, что ушные раковины успешно прижились. Патент на технологию авторы получили в январе 2023 года и сейчас продолжают доклинические исследования.
Новая лапа для кота
Помимо биопечати в медицине используется и более простой метод – 3D-печать. Если в первом случае за основу берут живые клетки или тканевые сфероиды, то во втором для создания каркаса используется титан, синтетические или природные полимеры.
Подобная технология чаще подходит для замещения костной ткани. Так, в 2019 году была создана лапа для кота Лапуни, больного остеосаркомой. Для него создали гибридный имплантат, который имитировал структуру настоящей кости: титановый каркас напечатали на 3D-принтере, сердцевину разработали из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Чтобы конструкция хорошо прижилась, ее наполнили клетками из костного мозга животного.
«Мы сделали операцию Лапуне, когда ему было 15 лет. Перед нами стояла задача продлить пожилому коту активную жизнь. Операция оказалась успешной, имплантат прижился, каких-либо изменений не наблюдалось. После нее кот прожил еще полтора года», – рассказал директор научно-образовательного центра (НОЦ) Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Сенатов.
Заставить клетки взлететь
Следующий шаг в развитии биопринтинга – применение физических полей.
Дело в том, что для печати важно удерживать клетки в необходимой форме. Обычно они выкладываются последовательно – одна на другую. Если попытаться создавать большие или геометрически сложные объекты, получившаяся конструкция будет давить на нижнюю часть и развалится. Чтобы этого избежать, можно использовать печать с магнитными и акустическими полями. Это называется метод магнитной биофабрикации. Он подразумевает, что клетки можно заставить взлететь и, задавая точки в пространстве, собрать их по рисунку будущего органа с заданными направлениями. Это можно сделать с помощью сильных магнитных полей, либо введения специальных частичек, которые будут в магнитном поле помогать им взлетать.
Получается, что в космосе это сделать будто бы легче. К слову, такую технологию уже тестируют на Международной космической станции (МКС). Первый магнитный биопринтер был создан компанией 3D Bioprinting Solutions и опробован на МКС, где до сих пор и находится.
При содействии нацпроекта «Наука и университеты» аналогичное устройство ученые НИТУ МИСИС планируют создать к 2030 году по программе «Приоритет 2030».
Когда печать органов войдет в повседневную жизнь?
Технология биофабрикации – относительно молодая область. Как рассказал первый проректор, руководитель проектного офиса Первого МГМУ им. Сеченова, член-корреспондент РАН, профессор Андрей Свистунов, чтобы она стала частью рутинной практики, требуется больше научных исследований.
«Мы до сих пор не так много знаем о процессах регенерации, внедрении эквивалента в организм хозяина. Кроме того, из барьеров можно отметить законы, ограничивающие применение клеточных продуктов для людей», – отмечает он.
По мнению заведующего лабораторией анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения Московского физико-технического института (МФТИ) Станислава Отставнова, масштабирование технологии создаст кадровую нагрузку, поскольку даже обычными промышленными 3D-принтерами умеют пользоваться далеко не все выпускники технических вузов. Хотя технические трудности – далеко не единственные. Потребуется комплексный ответ на целый спектр вопросов, в том числе правовых и экономических.
Ученые рассчитывают, что в ближайшем будущем – с ростом числа исследований – появится доказательная база, благодаря которой получится подтвердить безопасность и эффективность новых технологий.
Анна Шиховец
