Как создать цифровую модель органа? Что такое биочернила и как их создают? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Трехмерная биопечать — это одно из перспективных и новых направлений в биомедицине. Биопечать можно определить как роботическую послойную биопубликацию трехмерных тканей и органов из живых клеток и биоматериалов, в основном гидрогелей, согласно цифровой модели. Технология появилась два десятка лет назад. Сейчас уже существуют коммерческие компании, которые делают биопринтеры. Есть компании, которые делают небольшие ткани для тестирования лекарств и оценки токсичности. Есть общество, занимающееся биофабрикацией, а также около пяти журналов с названием «Биопечать». И главное, есть еще около двадцати учебников по этой дисциплине. В принципе, область сформирована.
Откуда взялась эта технология? Прежде всего, есть такое понятие, как тканевая инженерия: берутся живые клетки, добавляется поддержка (мы называем ее скаффолд — это временная удаляемая поддержка из биодеградируемых полимеров), после все это кладется в специальный резервуар, биореактор, и через какое-то время образуется ткань. Тканевая инженерия, хотя она уже существует больше тридцати лет, по сути метод, основанный на ручном производстве. Принципиальное отличие трехмерной биопечати заключается в том, что мы используем роботов, как правило, картезианского типа, которые двигаются в четырех направлениях: вверх, вниз, вправо, влево. Это позволяет перевести нашу технологию из лабораторий в индустриальные условия, то есть делать массовые производства стандартного размера, стандартной формы.
Технология биопечати похожа на технологию трехмерной печати. Принципиальное отличие заключается в том, что можно сначала напечатать construct (скаффолд), а потом посадить клетки. А в нашей технологии мы сразу одновременно печатаем и биоматериалы, и живые клетки. То есть, когда мы закончили процесс печати, у нас сразу образуется тканевой или органный construct. Технология биопечати также тесно связана с направлением, которое в 1980-х называли «быстрое прототипирование», а потом — «аддитивное производство» или «послойное производство»: поскольку мы находимся на Земле, где есть сила тяжести, обычно напечатать орган можно только послойно (layer by layer).
Есть три этапа в технологии биопечати. Они очень похожи на технологию послойного производства, или аддитивного manufacturing. Первый этап называется «препроцессинг», то есть для того, чтобы напечатать орган, нужно сначала создать его цифровую модель. Цифровая модель — это виртуальная презентация органа в компьютере в виде системы координат. Здесь используют специальные программы. Все делается так, чтобы можно было потом эту информацию обо всех структурах органа передать роботу, который будет ее считывать, а потом все печатать. Для того чтобы получить эту информацию, используется три подхода. Либо мы делаем серийные срезы и потом реконструкцию — вроде того, что Николай Пирогов делал, когда замораживал трупы и потом их резал. Сейчас это называется компьютерная томография. Можно получить трехмерное изображение сердца, легких и других органов у живого человека с помощью современных методов компьютерной томографии. Второй метод: надо делать серийные срезы на фиксированных образцах. Третий метод: зная, например, правила ветвления сосудов, какой угол ветвления, какое соотношение материнского и дочернего сегмента, можно создать трехмерную модель сосудистого дерева, а вокруг него сделать уже модель всего органа. Результатом является цифровая модель.
Второй этап — это собственно биопечать, процессинг. Мы используем отдельные клетки либо тканевые сфероиды — это плотно упакованные агрегаты клеток, а также биоматериал. В качестве биоматериалов мы используем гидрогели, потому что они должны быть сначала жидкими, чтобы можно было печатать, а потом должны сразу полимеризоваться. По окончании второго этапа — процессинга — мы получаем не органы и не ткани. Мы называем это «тканевые и органные конструкции». Для того чтобы они стали настоящими органами, надо пройти еще третий этап — постпроцессинг. Этот этап заключается в том, что происходит быстрое созревание, плотная упаковка, слияние клеток и тканей и их созревание. То есть они становятся по механическим и функциональным свойствам похожи на ткани.
Какое на данный момент состояние отрасли? Наша компания имеет пять основных достижений, так называемых верстовых камней (milestones). Первое — мы научились делать масштабное производство большого количества тканевых сфероидов, то есть клеточных агрегатов стандартной формы и размеров. У нас есть то, что мы называем строительными блоками. Мы эту технологию отработали, получаем большое количество сфероидов, все они стандартные, все они жизнеспособные, разного типа, разной сложности. Второе — мы создали первый в России отечественный трехмерный биопринтер, который назвали «Фабион»: от «фаб» — фабрикация и «био» — биология. Этот принтер входит в число пяти лучших мировых принтеров согласно независимому рейтингу. По критерию мультифункциональности, то есть количества функций, которые он может выполнить, мы считаем, что он один из лучших в мире. По крайней мере, печатать сфероиды могут только немцы, новозеландцы и мы. Причем те и другие пока не сделали принтеры, а только разрабатывают, а у нас уже работает система печати отдельными сфероидами.
Третий элемент — биочернила (bio-ink). Это гидрогель, который содержит 95% воды. Его можно диспенсировать, создавать любую форму, а потом он полимеризуется и держит эту форму. Мы разработали свиной вязкий коллаген в качестве биочернил, то есть у нас есть свои оригинальные биочернила. Когда у нас есть все три этих элемента, следующий этап — печать органа. В 2015 году мы впервые в мире напечатали функциональный, васкуляризированный орган — щитовидную железу мыши. Но надо отметить, что, во-первых, это не человек, а мышь, а во-вторых, мы использовали не стволовые клетки, не дифференцируемые клетки, а округленные экспланты эмбриональной щитовидной железы. То есть мы брали эмбрионы щитовидной железы и по специальной технологии выделяли маленькие шарики — зачатки щитовидной железы — и потом их печатали. В отличие от многих других публикаций, мы четко показали функцию. Мы взяли радиоактивный йод и полностью, как в Чернобыле, убили щитовидную железу — когда сделали гистологию, никакой щитовидной железы не было. Потом мы пересадили наш напечатанный орган и восстановили функцию на 50%. Пятое, я считаю, самое интересное достижение: в декабре 2018 года первые в мире мы послали в космос наши тканевые сфероиды двух типов — зачатки хряща и зачатки щитовидной железы. В условиях невесомости мы собрали тканевые констракты, сейчас печатаем статью. Это пять основных достижений.
Куда дальше двигаться и какие основные тренды? Во-первых, многие считают, что можно сделать так называемую in situ или in vivo биопечать. Это значит, что печать производится непосредственно в операционной комнате, а не в лабораторных условиях. Для этого требуются другие типы биопринтеров, в основном артикуляционного типа, чтобы было 6–7 степеней свободы. Один из проектов, который мы делаем совместно с бельгийцами, австрийцами и калифорнийцами, — это биопечать волос.
Во-вторых, есть гибридная биофабрикация, когда разные методы — биопечать и другие — начинают комбинироваться, благодаря чему можно сделать более сложные конструкции. И в-третьих, четырехмерная биопечать. То есть вы печатаете, например, конструкцию, используя полимер, у которого есть память. Когда вы кончили печать, вы либо изменяете температуру, либо направляете какой-то источник энергии — и у вас плоский кусочек начинает сворачиваться. Это называется «четырехмерная биопечать».
Самым главным достижением и успехом всей технологии было бы, если бы мы напечатали почку человека и успешно ее пересадили пациенту. Почему? Потому что в 1954 году Джеффри Мюррей впервые в мире пересадил натуральную почку от одного близнеца к другому, и в 1990 году он получил Нобелевскую премию. Поэтому мы считаем, что биопечать — это очень интересное направление. Во-первых, оно соответствует третьей или четвертой индустриальной революции, поскольку мы используем трехмерную печать. Во-вторых, сейчас очень модно говорить о так называемой цифровой экономике, а орган без цифровой модели не напечатаешь. То есть технология биопечати как раз включает в себя и третью индустриальную революцию, и цифровую экономику.
Есть еще один критерий, который говорит о том, что это направление интересно. Мы заметили, что сейчас проявляется очень большой интерес молодежи к этой технологии: уже пишутся кандидатские и докторские по биопечати. Есть уже курсы в Голландии, Германии, Австралии и России. То есть мы уже начинаем готовит биопринтистов, специалистов по биопечати. Если будут специалисты по биопечати, хорошие биопринтеры, хорошие биочернила, тканевые сфероиды и если будут созданы условия для перехода в клинику, то напечатать орган рано или поздно все равно удастся. Естественно, это произойдет, если будут мощные центры коллективного пользования, центры excellence. Например, в Сингапуре, Америке и Германии сейчас создаются специальные центры, даже институты по биопечати. У нас пока такого специализированного института биопечати нет, но я думаю, что рано или поздно он будет создан, будут российские специалисты, будут российские биопринтеры, российские биочернила. Есть шанс, что мы напечатаем человеческий орган первыми в мире, поскольку нечеловеческий орган мы уже напечатали.
В заключение я бы хотел сказать, что трехмерная биопечать — это, пожалуй, одно из самых перспективных направлений в современной медицине. Наша суперзадача — раз и навсегда решить острую проблему клинической медицины — нехватку органов для трансплантации. Каждый день в Америке, например, умирает 22 человека, поскольку нет почек для трансплантации, в Европе — 18 человек, в Китае требуется 2 миллиона органов. То есть рынок колоссальный. Пока мы говорим, люди умирают, поскольку нет соответствующего лечения. С точки зрения бизнеса это очень хорошая модель, с точки зрения здравоохранения это позволит сэкономить 50% лечения терминальных заболеваний почек. С точки зрения больных, вместо того чтобы ходить на диализ три раза в неделю, вместо того чтобы страдать и ждать пять лет донорского органа, человек получает свою собственную почку, из своих клеток напечатанную, и продолжает вести нормальную жизнь. Я считаю, что это очень интересная задача, поэтому энтузиазма вокруг тканевой инженерии, биофабрикации и особенно трехмерной печати сейчас много.
