Проблема нехватки донорских органов довольно серьезна. И в России, и в мире может пройти довольно много времени, прежде чем подходящий для пересадки орган найдется. По данным за 2020 год, в России в листе ожидания донорской почки было не менее 7000 человек, а донорского сердца — как минимум 800. Люди ждут подходящего органа годами и не все доживают до трансплантации. Одни ученые, решая эту проблему, смотрят в сторону ксенотрансплантации и стараются модифицировать органы животных так, чтобы они годились для пересадки людям, другие уверены, что будущее за биопринтингом – созданием органов с помощью послойной трехмерной печати. Что это такое – разбирался для вас ФармМедПром.
Первые попытки биопринтинга предпринимались в начале 2000-х годов, когда специальных приборов, предназначенных именно для печати биологических объектов, не существовало, а ученые адаптировали для этих целей обычную офисную технику. В 2003 году американец Томас Боланд подсчитал, что размер капли чернил в принтере и размер человеческой клетки примерно одинаковы – около 10 микрон. После этого он модифицировал струйный принтер и напечатал с его помощью фрагмент ДНК. Это событие и положило начало биопринтингу.
Что нужно для биопечати?
Этот процесс состоит из нескольких этапов. Сперва создается трехмерная модель того органа, который нужно напечатать. Для того, чтобы модель была точной, могут быть проведены дополнительные замеры, сканирования и МРТ-обследования с участием пациента.
Следующий этап – сама печать с использованием принтера, в который загружены «биочернила», состоящие из живых клеток. Эти клетки берут у пациента и культивируют их, чтобы получить необходимое для печати количество. В том случае, если по каким-то причинам взять их у пациента невозможно, то у него берутся стволовые плюрипотентные клетки, отличительной способностью которых является возможность превращаться в любые клетки организма.
Кстати, совсем недавно ученые Сеченовского университета определили, что наиболее подходящими клетками для печати биологических имплантов сосудов, костей и хрящей на 3D-принтере являются клетки со слизистой оболочки десны, а для искусственной кожи – стволовые клетки жировой ткани. В человеческом организме и в каждом его органе находится большое количество различных типов клеток, и то, какие их них возьмут для 3D-печати, повлияет на будущие свойства органа, а значит могут быть более и менее подходящие клетки.
Чаще всего для создания трехмерной структуры нужны не только сами клетки, но и что-то, что будет удерживать клетки вместе, составляя каркас будущего органа. Для этих целей используется гидрогель или коллаген.
После печати напечатанный орган должен дозреть, для чего его помещают в специальный биоинкубатор. В нем созданы такие же условия, как и в человеческом теле (температура 37 градусов и концентрация углекислого газа 5%). Клетки делятся, их число увеличивается, между ними образуются все те связи и контакты, которые есть в обычных тканях организма.
Сегодня врачи и ученые уже освоили печать кожи и хрящевой ткани, и пытаются создавать с помощью биопринтинга целые органы.
Щитовидная железа, которая работает
Пионер российского биопринтинга – компания 3D Bioprinting Solutions, созданная в 2013 году. Именно в 3D Bioprinting Solutions был создан отечественный биопринтер FABION, программное обеспечение к нему, а также проведено множество исследований, которые компания осуществляет как самостоятельно, так и в сотрудничестве с различными научными институтами и лабораториями.
В 2015 году в лабораториях компании была напечатана работающая щитовидная железа мыши размером всего в несколько миллиметров. Причины для выбора именно этого объекта очевидны: во-первых, щитовидка имеет достаточно простую клеточную структуру, которую можно было воспроизвести с помощью биопринтинга, во-вторых, функциональность созданного таким образом органа было легко проверить, просто измерив гормона Т4 в крови. Щитовидную железу пересадили мышам с гипотиреозом, орган прижился и начал выполнять свои функции.
Хрящи для пациентов с артритом
В НИЯУ МИФИ научились печатать хрящи, которые необходимы пациентам с острым артритом. Работа проводится также под эгидой 3D Bioprinting Solutions.
Научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions Владимир Миронов поясняет, что организм неспособен регенерировать хрящевую ткань, которая у пациентов с артритом разрушается, а потому печать новых хрящей для дальнейшей пересадки их пациентам необходима.
Инновацией можно назвать печать не из отдельных клеток, а из сфероидов – микрокомплексов клеток определенного типа, сборка которых происходит гораздо быстрее. Миронов отмечает, что хрящевую ткань из сфероидов хондроцитов и хондробластов можно будет печатать прямо в операционной и сразу же трансплантировать пациентам.
Эксперименты на животных уже проведены и завершились успешно, но людям такие хрящи пока не пересаживали.
Биопринтинг в космосе
Еще одно впечатляющее направление работы компании – биопечать в космосе. Для этого был создан первый в мире космический биопринтер Organ.Aut, с помощью которого прямо на МКС были напечатаны фрагменты хрящевой ткани.
Научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions Владимир Миронов рассказал, что печатать трехмерные биообъекты в космосе проще, чем на Земле. В условиях невесомости можно работать с более жидким гидрогелем, который лучше совместим с клетками – это значительно ускоряет сборку. Если на Земле на печать хряща уходит несколько часов, то в космосе создать такой же фрагмент удалось всего за 30 секунд.
Кроме хрящевой ткани на МКС удалось напечатать мышиную щитовидную железу, повторив успешный эксперимент 3D Bioprinting Solutions в космосе.
Новые ушные раковины
Экспериментами по биопринтингу и 3D-печати для медицины занимаются и другие российские лаборатории и компании. Одна из них базируется в НИТУ «МИСиС».
Важное направление работы лаборатории – создание имплантатов для твердых и мягких тканей. Для пациентов с травмами уха уже научились печатать биосовместимые имплантаты ушной раковины, которые ускоряют процесс регенерации.
Сейчас для восстановления дефектов ушного хряща часто используют собственные ткани пациента, для забора которых нужно взять ткани из реберного хряща. Трехмерные имплантаты из агарового гидрогеля позволяют избежать болезненной операции. Их вживляют пациенту, а клетки организма, питаясь гидрогелем из агара, обрастают имплантированный орган. В итоге у пациента появляется новое ухо, которое на 85% состоит из своих клеток и лишь на 15% из материалов имплантата.
Лапа для Лапуни
Трехмерная печать без использования живых клеток – так называемого клеточного компонента – не менее важна для медицины, чем создание полноценных тканей и органов.
Таким образом в созданной молодыми учеными из НИТУ «МИСиС» компании «Биомиметикс» изготавливают гибридные имплантаты. Сейчас их используют в ветеринарии, но исследователи надеются, что скоро такие конструкции будут устанавливать и людям.
Одна из недавних работ – клеточно-инженерная лапа для кота Лапуни. Для кота, больного остеосаркомой, создали гибридный имплантат: его каркас был напечатан на 3D-принтере из титанового сплава, а сердцевина была выполнена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Все вместе имитировало структуру настоящей кости.
Напечатанная «кость» была заселена клетками, выделенными из костного мозга Лапуни (эти занимались специалисты из НМИЦ онкологии имени Н.Н. Блохина) – такая процедура нужна была для того, чтобы конструкция хорошо приживалась. Операция прошла в апреле 2019 года, а уже в июне того же года стало понятно, что динамика положительная – кот восстановился и передвигался самостоятельно.
Когда начнут печатать органы для пересадки людям?
Печатать крупные органы для пересадки людям ученые пока не научились. Одно из немногих исключений – мочевой пузырь, который удалось создать в США с помощью биопечати еще в 2004 году, а затем пересадить пациенту. Орган функционирует и по сей день.
Основная сложность, которая возникает при печати больших органов со сложной структурой – не допустить ошибок при сборке, из-за чего орган просто не сможет работать так, как нужно. Кроме того, для больших органов нужно много самых разных клеток, пока ученые научились нарабатывать в лабораторных условиях далеко не все из них.
Другая проблема связана с длительностью печати: сегодня на создание, например, печени, может уйти несколько часов или даже дней. В то время, пока идет печать верхних слоев, важно обеспечить жизнеспособность клеток, чтобы они не погибли без питания и нехватки кислорода без кровеносных сосудов. Но уже сейчас есть технологии, которые значительно ускоряют процесс печати. Лидеры российского биопринтинга ожидают, что первые органы, подходящие для пересадки человека, будут созданы к 2030 году. Предполагается, что первым таким органом станет яичник.
Еще одно перспективное направление – биопечать in situ, то есть прямо на теле пациента в том месте, где необходимо восстановить целостность тканей. Такая необходимость возникает, например, при ожогах или при буллезном эпидермолизе, когда кожа пациента повреждается от малейшего прикосновения. Для такой печати требуется специальный биопринтер, который будет способен работать не только на ровной поверхности, но и на искривленной – такой, как поверхность человеческого тела, а кроме того, будет способен адаптироваться к движениям того субстрата, на котором он печатает, ведь пациент не сможет быть абсолютно неподвижным.
Первые эксперименты в этой области уже проведены: в 2019 году фрагмент кожи был успешно напечатан и пересажен прямо во время операции в лаборатории доклинических исследований МНИОИ имени П.А. Герцена. Для печати использовались коллагеновые биочернила. Правда, пациентами были крысы, а не люди.
Пока биопечать считается относительно новым и скорее экспериментальным направлением в медицине, однако велика вероятность, что в ближайшее десятилетие с большинством проблем удастся справиться, а биопринтинг станет рутинной процедурой в трансплантологии и медицине вообще.
Текст: Ксения Скрыпник, к.б.н.
