Можно ли распечатать на принтере что-то живое, состоящее из клеток, - ткань, орган или даже биоробота? Сейчас с уверенностью можно сказать: да, такое возможно. И доказательством тому служит открытие в Москве 6 сентября нынешнего года частной биотехнологической лаборатории "3Д Биопринтинг Солюшенс", которая как раз и занимается подобной биопечатью.
Любопытно, что соинвестором "3Д Биопринтинг Солюшенс" является компания ИНВИТРО, известная своим интересом к самым последним достижениям медико-биологических технологий. В этой уникальной лаборатории (она, кстати, является первым частным биотехнологическим предприятием в России) будут создаваться методики и осуществляться трехмерная биопечать тканей и органов человека на вышеупомянутом 3D-биопринтере. Следует заметить, что сейчас подобное направление является одним из самых современных в медицине и биоинженерии.
Читайте также: Пистолет в 3D сможет иметь каждый
На торжественном открытии лаборатории присутствовала директор по медицинским программам Инновационного центра Сколково Гелена Лифшиц. Она отметила, что в данном случае переход от идеи создания такой лаборатории к ее воплощению совершился неожиданно быстро:"Я помню, какое удивление и восхищение вызвал у меня осмотр в 2010 году биотехнологических лабораторий компании Organovo в США, которые тогда опробовали революционные технологии биопечати. Тогда же родилась идея создать такую же лабораторию у нас в России. И, к моему еще большему удивлению, все это произошло весьма быстро".
Но как же происходит эта самая биопечать и процесс формирования искусственных органов в 3D-биопринтере? Об этом корреспонденту "Правды. Ру" рассказал научный руководитель лаборатории "3Д Биопринтинг Солюшенс" профессор Владимир Миронов, который был одним из тех ученых, кто стоял у истоков создания данной технологии:
"С чего все начиналось? Когда-то я работал на кафедре анатомии и клеточной биологии медицинского факультета университета Южной Каролины (США). У нас там был профессор Бобби Томпсон, который изучал пролиферацию, то есть разрастание живой ткани в процессе деление клеток в сердце цыпленка. Напомню, что оно представляет собой что-то вроде трубочки. И вот Томпсон предположил, что на то, как идет пролиферация, может влиять кривизна. Поэтому он разрезал сердце цыпленка на отдельные колечки, вывернул их и потом опять насадил на полиэтиленовую трубку.
И что вы думаете — через два-три дня эти колечки опять слились в единую структуру! Более того, они вновь стали согласованно биться в едином ритме — словно бы сердце и не разрезали до этого. Когда я увидел это, то понял, что тут есть что-то интересное. В тот же самый день я изолировал маленькие фрагменты эмбриональной ткани, положил их в коллагеновый гидрогель в виде кольца — и они тоже слились. Потом я сделал второй, третий слой и т. д. — и все опять сливалось, получалась уже трехмерная трубочка.
Надобно заметить, что первый эксперимент я делал вручную, и на него у меня ушло около восьми часов, это, как вы понимаете, очень долго. Тогда я стал думать о том, как сделать это при помощи робота, чтобы, во-первых, ускорить процесс, а, во-вторых, стандартизировать размеры этой структуры. И так постепенно и родилось то, что теперь называется биопечатью.
Любопытно, что я уже потом, когда литературу посмотрел, выяснил — само явление слияния эмбриональных клеток было открыто достаточно давно, еще в XIX столетии. Немецкий профессор Август Борн наблюдал это больше ста лет тому назад, когда экспериментировал с клетками головастиков — он разъединил их ткани на части, но стоило ему ненадолго уйти, а потом вернуться, как он обнаружил, что ткани вновь срослись. А в 1907 году другой ученый, Питер фон Вильсон поставил интересный опыт с морскими губками — он пропустил их сквозь сито, потом сложил все фрагменты их тел рядом, и они опять слились.
Как видите, феномен был открыт давно, однако потребовалось сто лет, что бы выяснить его механизм. Ну и, конечно же, за это время были открыты молекулярные механизмы такого слияния — в частности, особые клеточные рецепторы, которые помогают клеткам сцепиться. Ну, а мы восстановили все этапы такого слияния, то есть выяснили, что сначала из клеток получаются сфероиды (шарики из 2-10 тысяч клеток, которые контактируют друг с другом), потом они сливаются в пространстве, образуя трехмерные структуры. И вот когда мы все это поняли, то сразу же стало ясно, как можно использовать данное явление для создания искусственных органов, то есть для той самой биопечати.
Итак, какова же основа нашей методики? Мы выяснили, что если взять тканевые шарики, те самые сфероиды, и поместить их последовательно в слои гидрогеля, толщина которого равна диаметру сфероида, то эти сфероиды сливаются как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Сам гель потом деградирует и образуется трехмерная структура. При этом в процессе создания она, во-первых, уплотняется, а, во вторых, не наблюдается клеточной миграции из одного сфероида в другой при слиянии. Это очень важно, поскольку подобное позволяет создавать заданный орган по заранее рассчитанному для него "лекалу", а если бы клетки мигрировали, то это было бы невозможно.
Читайте также: Энергетики приручают искусственный фотосинтез
В итоге самом простом варианте получается что-то вроде трубочки, состоящей из клеток — а это уже практически готовый сосуд. Но у нас также получилось сделать и мелкие сосуды вроде капилляров — для этого использовались сфероиды с просветом. Их слияние давало не только прямые, но и ветвящиеся структуры — что-то вроде капиллярных сетей в органах живых существ. То есть мы доказали, что возможно создание органа с уже имеющимся внутри него сосудистым руслом. А это очень важно — ведь орган, в котором нет системы его питания, сразу же погибнет.
Ну, а теперь я расскажу обо всех этапах создания органов при биопечати. 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. Их этих клеток можно сделать любую ткань. После этого из них делаются сфероиды — в специальных агрегатах есть подложка, в ямочки которой наливается суспензия из клеток. Клетки падают на дно и за счет своих взаимодействий образуют сфероиды.
Далее, когда сфероидов уже достаточно, их помещают в инкапсулятор, который одевает эти шарики в оболочку из гиалуроновой кислоты — для того, чтобы они не сливались раньше времени. Теперь уже дело за биопринтером — роботом, у которого есть трехмерная система позиционирования. Это значит, что у него есть шприц, которым они 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. Именно поэтому биопечать считается не только биологической, но и информационной технологией — для ее работы требуется мощный компьютер и специальное программное обеспечение.
Итак, сфероиды, как им и положено, сливаются в заданном порядке, через какое-то время гидрогель деградирует, и мы получаем заданный орган с сосудистым руслом внутри. Впрочем, нет, пока это еще не орган, а тканево-инженерная конструкция, напоминающая орган. Органом она станет тогда, когда все стволовые клетки станут дифференцированными. Для того, чтобы это произошло, мы используем вещества, называемые ростовыми факторами. И как только подобное происходит, то орган уже готов и теперь хирург может помещать его в организм. В отличие от органа, взятого от другого донора, то, что изготовили мы, не вызовет реакции отторжения организма — ведь он сделан из клеток пациента, то есть он изначально был "его собственным" с гистологической точки зрения.
Какие успехи уже достигнуты биопечатью? Эксперименты показали, что уже вполне реально сделать искусственную кожу, хрящи и клетки печени. Были достигнуты успехи в создании ушных раковин и печени — их после этого пересаживали подопытным животным и все это приживалось. Сейчас же нам интересно было бы создать искусственную почку — это не простая, но вполне посильная для биопечати задача".
Впрочем, создание органов — это еще не все, что может биопринтер. Владимир Александрович рассказал и о другом своем проекте — создании при помощи этого метода биоробота. По его словам, этим уже занимались — так, в США на биопринтере был создан робот, напоминающий медузу. А профессор Миронов задумал сделать что-то, напоминающее по форме рыбу. Согласно его задумке, этот робот будет иметь сенсор, реагирующий на свет, нервы, передающие сигнал, и мышцы, реагирующие на раздражитель. То есть, проще говоря, глаз будет улавливать световой сигнал, и после этого робот должен будет шевелить хвостом.
Читайте также: Ученые создали сердечного биоробота
Итак, как видите, использование технологии трехмерной биопечати органов из аутологичных стволовых клеток пациента может стать решением проблемы иммунной совместимости. Более того, со временем данная технология открывает возможность получения прототипов органов и эффективных способов замещения тканей, позволяющих полностью возвращать здоровье. Таким образом придет конец незаконной торговле донорскими органами, а больные не будут долгие годы ждать, когда же трансплантолог подберет тот орган, который подходит именно им.
Наверное, многим сейчас покажется все это сказкой, однако смею заверить, что хоть эта сказка уже начинает воплощаться в жизнь. Так что, видимо, уже не далека та эпоха, когда мы сможем просто придти в некую биомастерскую для того, чтобы заказать там утраченный орган, который сделают нам через несколько часов или даже минут. Ну, а после с ним нужно будет пойти к врачу, который приладит этот орган на свое место…
Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"