Еще недавно противники идеи биопринтинга утверждали, что человеческий орган – чрезвычайно сложный механизм, и напечатать его нельзя. Резиденты «Сколково», российские ученые из Лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions», фантастические идеи превратили в реальность. Им удалось на первом отечественном биопринтере напечатать целый орган (специалисты называют его «органный конструкт») – щитовидную железу грызуна. До сих пор это не получалось ни у кого в мире, несмотря на успехи разных стран в воссоздании отдельных фрагментов человеческих органов.
Специалисты лаборатории постоянно усовершенствуют технологию трехмерной биопечати, теперь им предстоит не менее ответственный этап – проверить, как будет работать конструкт. Ему предстоит суперсложная и ответственная миссия: полностью взять на себя основную функцию щитовидной железы – выработку гормона тироксина.
Фото: Лаборатория «ЗD Bioprinting Solutions»
«Мы берем мышей и при помощи радиоактивного йода выключаем функцию щитовидной железы. Для этого мы вкалываем радиоактивный йод животным. Известно, что щитовидка накапливает йод, и после укола он поступает, прежде всего, в щитовидку. Но поскольку это радиоактивный изотоп, он поражает железу: ткань щитовидки распадается, теряет свою функциональность и перестает вырабатывать достаточно тироксина, что называется гипотиреоидным статусом», – объяснила заведующая лабораторией клеточных технологий Елена Буланова.
Грызуну пересадят напечатанную на 3D-принтере щитовидную железу
Сейчас специалисты зафиксировали падение уровня тироксина у грызунов – это как раз то время, когда можно начинать операции пересадки конструкта. Первые выводы можно будет сделать через пару недель после трансплантации, когда станет понятно, насколько хорошо приживается щитовидная железа и увеличивается ли выработка тироксина. Судить об успешном ходе эксперимента можно будет не ранее, чем через полтора месяца.
«Операция не очень простая – животные после укола радиоактивного йода очень ослаблены. Но мы все же очень надеемся, что они нормально перенесут операцию, и тироксин будет приближаться к своему исходному значению. Если уровень гормона повысится на 50% и выше, мы будем считать, что это успешный результат», – рассказал «Rosnauka.ru» исполнительный директор Лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions» Юсеф Хесуани.
Операция сложна еще и тем, что хирургу придется работать с ювелирной точностью на крошечном пространстве: сам органный конструкт по размеру не больше двух миллиметров. Миниатюрное «зернышко» пересадят под капсулу почки, это место выбрано не случайно: там конструкт, уже имеющий сеть сосудов, сможет дополнительно получить новые (питание органного конструкта). Кроме того, капсула почки защитит ткань и не даст организму отторгнуть чужеродные ему макромолекулы.
Как печатают живыми клетками
Процесс биопринтинга практически не отличается от технологии 3D-печати из пластика или железа, за исключением того, что здесь используются живые клетки. Напечатать можно все, что угодно – от пистолета, акустической гитары и автомобиля до человеческого органа.
Роль биочернил выполняют тканевые сфероиды – конгломераты клеток, биобумагой является специальный гидрогель. По сути, вся технология представляет собой цепочку строго последовательных действий.
Тканевые сфероиды, то есть специальные шарики, состоящие от нескольких сотен до нескольких тысяч клеток, получают вручную, методика хорошо отработана.
Фото: Лаборатория «ЗD Bioprinting Solutions»
«У нас есть силиконовый штамп, в который заливается расправленная агароза, дальше она застывает, и мы получаем негатив, в котором находится 256 маленьких углублений, имеющих неадгезивное дно, к которому ничего не прилипает. Туда заливается клеточная суспензия – раствор клеток. Под действием силы тяжести они оседают на дно ячеек и, поскольку не могут к нему прилипнуть, начинают взаимодействовать друг с другом, образуя в итоге один шарик. В одном молде в итоге образуется 256 тканевых сфероидов. Другой метод предполагает, что специалисты наливают клеточную суспензию в специальные плашки, она также оседает на одно, образуя в каждой ячейке по одному тканевому сфероиду», – рассказала «Rosnauka.ru» старший научный сотрудник лаборатории Елизавета Кудан.
Так получаются тканевые сфероиды. После того, как они дозреют, их можно загружать в биопринтер и использовать в качестве чернил.
Чернила имеют биологическую структуру, они содержат компоненты внеклеточного матрикса – это та среда, в которой клетки чувствуют себя хорошо и не погибают. Подобрать оптимальный состав – важная задача биотехнологов. Например, в растворе одного альгината, который легко застывает и необходим для процесса печати, клетки не умрут, но не смогут срастись, а подвижный и мягкий коллаген не позволит раствору загустеть до нужной консистенции, но он необходим на этапе слияния клеток.
Отечественному биопринтеру FABION подвластны все существующие методы биопечати, он отличается комбинаторностью и мультифункциональностью, важное его преимущество – система полимеризации: нет контакта с клетками, луч воздействует только на слои гидрогеля – биобумагу.
Фото: Лаборатория «ЗD Bioprinting Solutions»
Печать с помощью сфероидов осуществляется по принципу экструзии, когда вязкая консистенция продавливается через формующее отверстие: как из пипетки, из него выдавливается гель или тканевые сфероиды. При этом в момент экструзии гидрогель должен быть жидким, иначе его не получится выдавить, но при этом, если после попадания на чашу он не застынет, жесткой формы для сфероидов не получится. Над этим и колдуют специалисты лаборатории, подбирая правильную температуру, концентрацию компонентов и pH, чтобы все шло по правильному сценарию.
«Например, с коллагеном мы пробовали разные подходы, известно, что все гели на основе коллагена застывают при изменении температуры и pH. В процессе печати мы именно это и делаем: коллагеновый гель готовим на холоде, в принтере он уже достигает комнатной температуры, и одновременно во время процесса печати мы брызгаем на него бикарбонат натрия, который сдвигает pH в щелочную сторону. Если некоторые компоненты мы заказываем, то коллаген для подбора условий печати мы изготавливаем сами по проверенной методике – из крысиных хвостов, которую придумали в 1972 году, и она до сих пор актуальна», – рассказала заведующая Лабораторией клеточных технологий Елена Буланова.
После того, как все тонкости соблюдены, принтер отпечатывает один слой органа, затем другой, и так постепенно послойно получается целый органный конструкт. Ученые не ставят перед собой задачу повторить до мельчайших деталей внешние очертания, главное – сделать так, чтобы конструкт мог заместить все основные функции утраченного органа.
Умельцы на все руки
Как и любая новая технология, метод 3D-печати органов соединил в себе достижения многих наук, именно поэтому задачи биопринтинга решают специалисты мультидисциплинарных направлений.
«Каждый сотрудник нашей лаборатории имеет компетенции и знания в нескольких областях, у нас собраны уникумы. Это штучные специалисты, которых мы искали по всей стране и за ее пределами. Сейчас в лаборатории работают около 20 человек, включая волонтеров из Великобритании и Бразилии», – рассказала директор по маркетингу Лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions» Юлия Смирнова.
Почему выбрали щитовидную железу?
Для столь масштабного научного эксперимента выбор пал на щитовидную железу неслучайно. Специалистам нужно было взять орган, который относительно несложно устроен, не имеет разветвленной системы протоков для выведения продуктов ее деятельности, как, например, почка.
По сложности печати все внутренние органы делятся на четыре типа:
- Плоские органы (кожа, хрящ) – наиболее простые для печати, кусочки этих органов представляют собой как бы «заплатки» на теле человека.
- Трубчатые органы (аорта, сосудистое русло): нельзя вырастить всю аорту или сосудистое русло, печатаются лишь части сосудов.
- Полые нетрубчатые органы (мочевой пузырь, матка).
- Солидные органы (почка, печень) – это органы с проведением сосудистого русла, состоящего из нескольких типов клеток, например, почка имеет 24 типа клеток.
Щитовидная железа стоит особняком.
«Первая и вторая группы – в контексте биопринтинга представляют собой лишь фрагменты органов, «заплатки» на теле человека, так как нельзя напечатать полностью кожу или все сосудистое русло. На сегодняшний день это уже делают некоторые ученые, например, в Японии или Канаде. Что касается третьей группы, работы ведутся, но никаких серьезных успехов пока не достигнуто. Четвертая группа – самые сложные органы – это мечта всех ученых. Щитовидная железа, на наш взгляд, это – золотая середина: с одной стороны, орган с легко доказуемой функцией, потому что позволяет измерять уровень гормонов, что говорит о эффективности ее работы, с другой стороны, не очень сложна по своей структуре. Это уже не «заплатка», но и не такой сложный солидный орган, как печень или почка», – заявил исполнительный директор Лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions» Юсеф Хесуани.
Кстати, именно щитовидная железа впервые в истории трансплантологии была пересажена человеку. Специалисты лаборатории надеются, что им удастся повторить этот положительный опыт уже с искусственно выращенным конструктом.
3D-принтинг вместо доноров?
Фото: Лаборатория «ЗD Bioprinting Solutions»
Дженнифер Льюис из Гарварда работает над созданием структурно-функциональной единицы почки – нефрона, поэтому можно считать, что работа над воссозданием самой сложной группы органов уже началась. Ну а дальше предстоит совсем, казалось бы, невозможное – пересадка напечатанных органов человеку.
Известный технологический футуролог, а по совместительству технический директор Google, Рэй Курцвейл, дал прогноз, что уже в 2031 году во всех больницах будут стоять 3D-принтеры и печатать органы всем нуждающимся. Специалисты в области биопринтинга не столь категоричны и просят не спешить: по их мнению, к 2030-му году технологии позволят напечатать лишь первый солидный орган, и лишь некоторые ученые заявляют, что смогут это сделать раньше.
«70-80% потребностей – это почки, мы ставим перед собой такую гиперцель. Сейчас лаборатория работает над трехмерной печатью щитовидной железы, плоских и трубчатых органов, а также над модификацией принтера. При этом то, что мы делаем сегодня, может пригодиться нам для решения более сложных задач уже завтра. В перспективе же биопринтинг может решить открытый во всем мире вопрос – нехватки донорских органов, это его глобальная цель», – считает Юсеф Хесуани.
Использовать технологии биопринтинга можно, не дожидаясь этого светлого будущего. Напечатанные трехмерные биоструктуры уже сегодня помогают фармкомпаниям тестировать новые препараты. Клетки в трехмерной структуре позволяют добиться большей точности исследований и сэкономить силы, время и средства на этапе доклинических испытаний.
Биопринтинг начинает использоваться и в сферах, не связанных с медициной, например, в мире моды и гастрономии. Специалисты обещают, что уже скоро станет возможным создать c помощью 3D-технологий бифштекс или мех для шубы. Первые такие опыты, которые, кстати, очень поддерживают «зеленые», уже существуют.
http://rosnauka.ru/publication/730
