Запчасти для человека

Острая нехватка донорских органов наблюдается во всем мире. Так, согласно статистике, в странах Евросоюза из-за длительного ожидания пересадки ежедневно умирает десять пациентов, а риск смерти из-за дефицита органов почти догнал риск смерти от рака молочных желез. В США нехватка донорских легких, из-за которой умирает половина находящихся в очереди на трансплантацию, привела к тому, что врачи рекомендовали брать для пересадки легкие заядлых курильщиков.  

Проблему острого дефицита «запасных частей» для человека может решить 3D-биопринтинг, или печать органов. О том, что это такое и как скоро любой житель планеты сможет «на заказ» получить новый орган взамен изношенного, проекту «Здоровье Mail.Ru» рассказал автор технологии печати органов и биофабрикации, доктор наук, профессор Университета Содружества штата Вирджиния, научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований компании «3D bioprinting solutions» Владимир Александрович Миронов. 

Владимир Александрович Миронов. Фото Лаборатории Инвитро. 

Владимир Александрович, расскажите, пожалуйста, в чем суть методики 3D-печати органов?  

3D- печать органов — это роботизированный метод послойного получения трехмерных органов и тканей с использованием тканевых сфероидов в качестве строительных блоков.

Идея использования сфероидов появилась у меня, когда один из моих коллег, Бобби Томпсон, исследовал сердце эмбриона лягушки, которое имеет форму трубки. В рамках своего эксперимента он разрезал сердце на колечки и вывернул их наизнанку. Когда он взял кольца эмбрионального сердца и посадил на трубку, в течение нескольких дней они срослись и стали сокращаться как единая структура. Первыми экспериментами со сфероидами были опыты по созданию таких колечек из клеток и изучения их свойств.

История подобных экспериментов по регенерации тканей насчитывает более ста лет.

Однажды вечером профессор Густав Борн из Бреслау работал над препарированием головастика, и его жена подошла и позвала его ужинать. Он был раздосадован, но жена настаивала, и он оставил работу и смог к ней вернуться только на следующий день. Он был очень удивлен, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись. Другой исследователь, американский морской биолог доктор Петер фон Вильсон, в 1907 году опубликовал работу «О некоторых феноменах сращивания и регенерации губок». По существу, он разделил губки при помощи сита, после чего начался процесс спонтанного сращивания в организм одной губки. 

Таким образом, фундаментальная биологическая основа сращивания тканей была открыта более чем сто лет назад. Иными словами, развитие технологии печати органов, так же как и достижения регенеративной медицины в целом, не просто семантическая атака отдельных гениев, таких как доктор Вильям Хазелтайн, но скорее прямой результат более чем столетнего опыта интенсивных базовых исследований, в первую очередь морских биологов, затем эволюционных биологов, молекулярных биологов, и теперь мы наблюдаем все возрастающий вклад биологов стволовых клеток. Регенеративная медицина, с этой точки зрения, есть синтез биологии стволовых клеток и эволюционной биологии.

Поясните, пожалуйста, что такое тканевый сфероид и из чего он состоит?

Тканевый сфероид — это группа клеток, 15-20 тысяч, которые контактируют друг с другом и образуют трехмерную структуру.

Они имеют форму шара, и это очень важно с точки зрения биопринтинга, потому что для того, чтобы печатать с высокой точностью, строительные блоки должны быть максимально стандартизированы. Это самая удобная форма.

В основе метода 3D-биопринтинга с использованием сфероидов лежит их слияние за счет силы поверхностного натяжения. Физические свойства сфероидов таковы, что, подобрав оптимальный матрикс («biopaper», то есть основу для печати), можно добиться идеального слияния сфероидов в требуемую форму. После печати орган сохраняет свои свойства и размеры благодаря тому, что на каждой клетке есть рецепторы, взаимодействующие между собой за счет электростатических сил. Второй механизм, удерживающий клетки вместе, действует, даже если они находятся на расстоянии друг от друга: поскольку каждая из них помещена в матрикс и взаимодействует с одной и той же молекулой коллагена, что и не дает им «расползаться».

Обеспечение 100% правильного слияния сфероидов в любых условиях — это еще одна сложная задача, которую мне удалось решить.

Мы используем принцип, лежащий в основе действия застежек-липучек Velcro, позаимствованный из живой природы. Совместно с учеными из Бразилии мы разработали некую «авоську» для сфероида, на оболочке которой есть петли, которые цепляются друг за друга по типу липучки. Мы назвали эти структуры «lockyball».

Как происходит процесс печати органа?

Начинается все с того, что в специальную машину бросается кусок жировой ткани человека, и через час в ней образуется культура аутологичных (то есть не вызывающих иммунных реакций отторжения) стволовых клеток этого индивидуума. Из этих клеток можно сделать любую ткань. После этого из них делаются сфероиды.

Ну а дальше уже дело за биопринтером (к обычному принтеру он, конечно, имеет весьма опосредованное отношение) — роботом, у которого есть трехмерная система позиционирования. Это значит, что у него есть шприц, которым он может манипулировать в трехмерном пространстве. И вот при помощи этого шприца сфероиды впрыскиваются в гидрогель согласно составленной заранее трехмерной модели органа. Кстати, у принтера имеется устройство, которое координирует работу шприца, согласовывая все действия с той самой компьютерной моделью органа.

Первая печать будет обычной, хорошо знакомой нам двумерной. Затем на этот «лист» будут заливаться все новые и новые слои клеток, пока не получится матрица будущего органа. В дальнейшем ее поместят «дозревать» в специальный биореактор. 

Могут ли возникнуть проблемы с отторжением органов, напечатанных на основе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток?

Если использовать аутологичные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, то вряд ли возникнут проблемы с отторжением.

Вы планируете получать стволовые клетки в Вашей лаборатории?

«Поставщиком» клеток будет лаборатория профессора Сергея Киселева (на фото, снимок лаборатории Инвитро — прим. ред.)– ведущего российского специалиста по стволовым клеткам. Вместе с его лабораторией мы планируем создать устройство для тестирования функционирования используемых клеток и разработать роботизированную систему, позволяющую получать клеточные сфероиды с производительностью 10 тыс. капель в секунду. Мы считаем, что это минимальная производительность, необходимая для масштабирования технологии биопечати.

Как Вы получаете 3D-модели органов конкретных людей?

Для этого мы используем комбинацию методов современного медицинского изображения органов конкретного человека (КТ, МРТ) и компьютерного моделирования. 

Однако для решения задачи КТ и МРТ, как правило, не нужны, так как для биопечати необходима только одна модель органа. Для аутентичности важен другой фактор — собственные клетки пациента. 

Как Вы оцениваете успехи 3D-биопринтинга на сегодняшний день? В чем заключаются его основные проблемы (в частности, почему ученые больше сосредоточены на полых, а не плотных органах – например, печатают трахеи и кровеносные сосуды, но пока не могут  при помощи 3D-принтинга получить почку или поджелудочную железу?) 

Позитивно: все развивается так как надо и  куда надо и достаточно быстро. Пока при помощи 3D-принтеров печатают то, что проще (полые органы), более сложные и толстые органы требуют эффективной васкуляризации (формирования сосудистой сети — прим.ред.), что не так-то просто сделать. 

Но и это возможно, ведь ткань (орган) печатается сразу с сосудистым рисунком. Для этого в картриджи биопринтера загружаются конгломераты клеток, образующих сосуды. На сегодняшний день уже получены биообъекты, включающие три вида клеток. 

Когда этот метод получит широкое распространение?

Где-то ближе к  2030 году.

Недавно группа американских исследователей объявила о создании так называемого организма-на-чипе: миниатюрных человеческих органов, полученных при помощи 3D-печати и расположенных на микрочипе. Планируется, что эта разработка заменит лабораторных животных при тестировании вакцин и новых лекарств. Как Вы считаете, это равноценная замена?

Полностью реконструировать всю сложность человеческого организма  в организме-на-чипе вряд ли возможно даже теоретически, но дать полезную информацию он, пожалуй, сможет, если в нем используются человеческие клетки, организованные в трехмерные васкуляризированные ткани, а не просто монослои клеток.