Запчасти для человека
Мы живём в удивительное время, когда идеи из области научной фантастики неожиданно становятся реальностью. Одна из таких областей – биопринтинг. Это технология, позволяющая из клеток создавать органы для трансплантации или восстанавливать их функции. О том, как превратить мечты в технологии, какое отношение к этому имеет пояс Ван Аллена и когда при помощи биопринтинга может быть создан первый орган для пересадки человеку, «Вестнику Атомпрома» рассказал управляющий партнёр «3Д Биопринтинг Солюшенс» Юсеф Хесуани.
Юсеф Джоржевич, расскажите, что такое биопринтинг, как родилась идея разработки такой технологии и что именно она из себя представляет?
Биопринтинг основан на тех же принципах, что и технологии 3D-принтинга, или так называемые аддитивные технологии. В чём их особенность? Ранее скульптор, создавая статую, брал камень и отсекал всё лишнее. Этот же принцип лежит в основе металло- и деревообработки. С середины 80-х годов появились принципиально новые технологии формирования объектов. В 1986 году был оформлен первый патент на стереолитографическую машину, работавшую на принципах аддитивной технологии, позволяющей создавать объект в соответствии с заданными параметрами с нулевой точки. С этого времени началась эра 3D-принтинга.
В начале 2000-х годов учёным пришла идея создавать на подобных машинах трёхмерные объекты, используя в качестве строительного материала живые клетки для построения тканей и органов. В 2003 году вышла первая публикация по трёхмерному биопринтингу, авторами её были трое учёных, это Томас Боланд из Великобритании, Габор Форгач из США и наш соотечественник – Владимир Миронов, который на сегодняшний день является научным руководителем у нас здесь в «3Д Биопринтинг Солюшенс». Со времени этой публикации прошло 15 лет, и, как вспоминают авторы этой статьи, сначала идея казалось полной фантастикой, затем стала напоминать научную фантастику, а сегодня биопринтинг – это реальность.
Эта технология активно используется, в частности, при проведении испытаний лекарственных препаратов, когда микроорганы печатаются не для трансплантации, а для проверки нового препарата, например, проверяют его токсичность на печень, почки и так далее.
Биопринтинг состоит из трёх основных последовательных шагов. Первый шаг мы называем «препроцессинг», когда сначала создаётся 3D-модель печатаемого объекта. При этом модель может как полностью совпадать с нативным органом (есть органы, где просто жизненно необходимо повторить его геометрию), так и не совпадать. Скажем, при моделировании таких органов, как трахея или пищевод, мы просто не можем не задать точную геометрию. Есть и органы, где привязка к геометрии не является принципиальной. Например, конструкт щитовидной железы. Для нас не так принципиально, будет ли она в форме бабочки, как в организме, или она будет любой другой формы. Мы работаем не над созданием формы, а над созданием функции. Функция определяется именно внутренней структурой, поэтому, чтобы конструкт щитовидной железы функционировал, нужны фолликулы щитовидной железы. Но при этом общая форма может быть разной. И подобного рода 3D-модели создаются у нас в лаборатории.
Второй шаг – это сам процесс печати, когда мы подготовили клеточный материал, нарастили его в необходимом количестве, приготовили специальный гидрогель, на который нанесли клетки, и затем залили всё это в принтер и запустили процесс печати.
Третий шаг, который также очень важен, это постпроцессинг, или доращивание ткани в инкубаторе. С использованием классических аддитивных технологий объект размером 3 на 3 миллиметра, такой как щитовидная железа у мыши, печатается до 10 минут. С использованием магнитных и акустических волн можно напечатать объект за десятки секунд. Но при этом постпроцессинг всё равно занимает сутки и более. Поэтому самый долгий процесс – это не процесс печати, а процесс постпечати. Есть и другой подход, когда мы печатаем не в чашке Петри, а непосредственно в тканевой дефект. Эта технология называется «in situ биопринтинг». То есть создание различного рода заплаток, например при кожных дефектах, при ожогах. Это могут быть заплатки кожи, заплатки хрящевой ткани при повреждении хряща. Здесь смысл в том, что мы не выращиваем объект, потом его пересаживая, а допечатываем клетки непосредственно на орган внутри организма.
Мне сложно представить, как из живых клеток печатается орган, который затем должен функционировать. Не могли бы вы попробовать объяснить, как происходит этот процесс?
Есть пять разных технологий биопечати. Первая и самая «древняя» – технология струйной печати. Первые биопринтеры – это, по сути, переделанные Hewlett-Packard, куда заливался клеточный материал, который затем наносился на чашку Петри. Однако таким способом довольно сложно создавать трёхмерные структуры, так как если материал вязкий, он не очень хорошо проходит через инжектор, и при печати возникают определённые трудности. Тем не менее струйный биопринтинг – это тоже принтинг, и первые работы проводились именно на таких струйных принтерах, переделанных под лабораторные нужды.
Вторая технология, наиболее развитая на сегодняшний день, – экструзионный биопринтинг. Представьте себе зубную пасту, которую выдавливают на зубную щётку. Этой «зубной пастой», используя роботические системы, вы можете создавать трёхмерные объекты, сначала – один слой, потом – второй слой и так далее. При этом, когда вы выдавливаете зубную пасту из тюбика, её размер составляет порядка сантиметра, в случае же биопринтинга эта «паста» содержит в себе клеточный материал, упакованные в нее клетки, и речь идёт о размерах порядка 100–200 микрон. Для сравнения, это где-то 1,5–3 диаметра человеческого волоса.
Третий тип печати – так называемая лазерная печать, когда клетки находятся на подложке, в каком-то субстрате, и лазер очень быстро, в течение секунд, выбивает каждую отдельную клетку из этого субстрата и перемещает её в определённую точку пространства.
Четвёртая и пятая технологии – это так называемые магнитно-акустические системы, когда вы захватываете магнитными или акустическими волнами клетки и управляете ими в пространстве. Используете своего рода акустический и магнитный пинцет.
Расскажите, когда и как вы начали работать над этим проектом, что вы уже сделали и на какой стадии находитесь сейчас. Чем ваша технология отличается от разработок ваших конкурентов?
Мы открыли лабораторию 6 сентября 2013 года, в этом году ей исполнилось 5 лет. В 2014 году, меньше чем через год после открытия лаборатории, мы разработали принтер FABION и биочернила.
Если посмотреть независимые отчёты, то вы увидите, что он входит в топ-10 лучших биопринтеров мира. В 2015 году мы освоили печать конструкта щитовидной железы мыши и провели испытания на лабораторных животных. Мы удаляли у мышей щитовидную железу, в результате чего уровень гормонов опустился до нуля. Затем пересаживали напечатанный нами конструкт железы, и её функция восстанавливалась на 60%, что является достаточно серьёзным успехом. В этом эксперименте мы использовали эмбриональные клетки щитовидной железы и сосудов мышей. Технология, которую мы отрабатываем сегодня, принципиально отличается от аналогов тем, что мы используем не просто единичные клетки, а создаём так называемые тканевые сфероиды. Это шарики, состоящие из тысяч клеток, они могут насчитывать от 2 до 100 тысяч клеток в зависимости от типа ткани, которую предстоит напечатать. Первое, чему нам нужно было научиться, получать шарики в больших количествах.
Второе – они должны были быть стандартного размера, порядка 200 микрон. Для процесса печати они должны быть одинаковой величины, причём с очень небольшим отклонением. Мы распределяем такие шарики в трёхмерном пространстве, сначала печатаем слой подложки, а затем в этот слой мы впечатываем тканевые сфероиды в виде шариков. Самый простой пример: в качестве подложки можно представить суповую тарелку, содержащую очень вязкий бульон, куда мы выкладываем фрикадельки в определённой последовательности. И так слой за слоем из многих «суповых тарелок» с бульоном из клеточного материала мы выкладываем трёхмерный объект.
Вы научились печатать органы мыши и их трансплантировать, а какова ситуация с созданием органов для человека?
Проблема перехода на человеческие органы заключается в двух основных вещах: первая – наличие адекватного клеточного материала. Здесь возможно использование стволовых клеток или клеток, полученных из стволовых клеток. Второе – это проведение сосудистого русла, что тоже является вопросом наличия клеток и вопросом технологическим. Здесь нужно улучшать технологию биофабрикации, биопринтинга, собственно, это то, над чем мы здесь и работаем. Пытаемся выращивать клетки человеческого организма, работаем с клетками взрослых людей, поскольку мы в своих экспериментах не используем эмбриональные клетки человека. Но клетки взрослого организма достаточно плохо растут. При использовании эмбриональных клеток мы получаем прирост в тысячу процентов, при использовании клеток взрослых – только несколько процентов, если удаётся получить 5–7 %, то это отличный результат. У нас категорически не хватает человеческого клеточного материала, а без него мы не можем переходить на проведение дополнительных испытаний. Мы также ведём работы с хрящевой тканью, её клетки растут неплохо, но здесь речь идёт, скорее, о создании из неё «заплаток». Я надеюсь, что в конце этого или в следующем году мы проведём испытания «in situ биопринтера». Мы будем печатать непосредственно в дефект ткани: сначала на мелких животных, затем на более крупных с дальнейшей перспективой применения данной технологии
на человеке.
Создание органов человека – это перспектива. Насколько она далёкая и какие ещё преграды стоят перед вами помимо дефицита человеческих клеток?
Если говорить обо всех компаниях или научно-исследовательских институтах в мире, которые занимаются технологиями биопринтинга, то на сегодняшний день мы говорим о доклинических испытаниях, то есть о проведении экспериментов на животных. Нам предстоит поставить ещё огромное количество экспериментов, чтобы убедиться, что технология не приводит к негативным последствиям, понять позитивные эффекты, получив положительный результат. Чтобы понятнее ответить на ваш вопрос, я классифицирую органы по сложности печати.
Мы выделяем четыре группы органов. Первая и наименее сложная – плоские органы (кожа и хрящ), у нас сегодня большинство работ посвящено именно этим органам. И когда я говорю о заплатках и печати в условиях операционной, плоские органы кажутся нам наиболее перспективными. Думаю, что первый орган, пересаженный человеку, будет как раз из этой группы. Для замещения кожных дефектов уже существуют «in situ биопринтеры», и проведены успешные доклинические испытания на лабораторных животных. Вторая группа – трубчатые полые органы, например трахея, сосуды, мочеточник, уретра и прочее. Здесь тоже есть определённые успехи и проведены успешные доклинические испытания. Например, нашими японскими коллегами были напечатаны сосуды крупного диаметра, пересаженные мини-пигам, кроликам и крысам. Третья группа органов – полые нетрубчатые органы, такие как мочевой пузырь, матка, но тут до сих пор нет серьёзных успехов, так как эти органы достаточно сложные для печати. И, наконец, последняя, четвёртая группа – солидные или паренхиматозные органы, такие как печень и почки. 70% людей, стоящих в листе ожидания на трансплантацию, это люди, которым нужна почка, ещё 50% от оставшихся – печень. Это самые сложные органы с точки зрения биопечати. Только в одной почке более 20 типов клеток. С точки зрения клеточного материала и вообще внутренней структуры органа это очень сложно. Хотя и в этой группе уже появляются некие успехи. Я говорил про печать в нашей лаборатории конструкта щитовидной железы. Наши коллеги из Чикаго под руководством Рамиллы Шах удалили яичники у самок мышей, трансплантировали напечатанные на биопринтере яичники, и после оплодотворения эти мыши смогли иметь потомство.
Эта работа говорит о том, что даже сложные репродуктивные функции вполне возможно восстанавливать. В нашей лаборатории мы продолжаем работать с клетками щитовидной железы человека, в ближайшее время, я надеюсь, мы начнём работать и с клетками других человеческих органов.
У вас запланирован эксперимент в космосе на МКС. Что это за проект?
В космосе мы собираемся опробовать принципиально новую технологию, так называемую технологию формативного производства. Чтобы понять её отличие от аддитивных технологий, представьте, что вы лепите снежок. Вы его собираете не слой за слоем, а берёте некий объём снега и, сжимая его с разных сторон, формируете снежок. Тот же принцип используем и мы, только формирование таких систем происходит за счёт магнитных волн. Если снежинки поместить в магнитное пространство, они бы сразу сформировали снежок. Это суть технологии, которую мы собираемся использовать в космосе.
Нам необходимо, чтобы клетки находились в левитирующем состоянии и срастались друг с другом, не касаясь никаких поверхностей. Поэтому в лаборатории нам приходится постоянно бороться с условиями земной гравитации. Для решения проблемы, создаваемой гравитацией, есть три пути. Первый – внедрение суперпарамагнетиков в клеточную среду. Такой метод мы используем у нас в лаборатории, но, к сожалению, довольно быстро суперпарамагнетики становятся токсичными для клеток, что серьёзно ограничивает эксперименты по времени и позволяет формировать лишь очень небольшие объекты. Второй подход – это использование супермагнитов, когда ткань собирается с использованием мощных магнитов. Такие эксперименты мы ставили в Голландии, используя магнитные поля порядка 20 тесла. Третий путь – использование условий естественной микрогравитации.
Им мы и хотим воспользоваться, отправляя наш биопринтер в космос. Там не понадобятся ни высокие концентрации суперпарамагнетиков, ни мощные магниты, а для управления клетками в космосе мы сделали достаточно компактную установку.
В космосе вы хотите попробовать вырастить органы животного, а затем, на Земле, попробовать их трансплантировать?
Поскольку для нас это первый опыт, мы не можем его ставить сразу со многими неизвестными. До нас подобного рода эксперимент ещё никто не проводил. К примеру, американцы планируют отправить свой биопринтер в космос в феврале 2019 года. Я думаю, к тому времени мы уже получим первые результаты. Мы отправим в космос клетки хряща человека и клетки щитовидной железы мыши. Нам нужны именно эти ткани, чтобы получить референсные значения для сравнения с возможностями аддитивного биопринтинга, используя который мы уже работали с подобными клетками. Надо протестировать и саму технологию, посмотреть, как она работает в космосе, какие возникают сложности. Мы будем готовы для трансплантации таких конструктов после серии экспериментов, когда поймём, как в точности происходят биологические процессы в космосе. У нас есть ряд серых и тёмных пятен, которые нужно прояснить в рамках этих экспериментов. Если говорить про более широкое применение выращенных в космосе органов, то одна из перспективных возможностей – отправлять их за пояс Ван Аллена, туда, где начинается серьёзная космическая радиация, чьё воздействие на живые организмы пока ещё не очень хорошо изучено.
Мы можем не только создавать микроорганы на МКС, но и отправлять их на пояс Ван Аллена и затем в режиме реального времени изучать воздействие на них космической радиации. Поэтому Роскосмос также заинтересован в нашем сотрудничестве. Есть ещё один проект, который мы обсуждаем с коллегами из Роскосмоса, – по созданию искусственного мяса в космосе, которое можно затем использовать в пищу в ходе дальних полётов, что весьма выгодно, так как объём груза, который берётся на борт, ограничен. Мы сотрудничаем с нашими коллегами из США и Израиля, обладающими технологией получения большого количества клеточного материала, которую мы пытаемся адаптировать под технологию получения трёхмерных объектов.
Насколько эффективным является ваше сотрудничество с Роскосмосом?
Знаете, нам с коллегами из Роскосмоса удалось создать принципиально новый регламент проведения экспериментов на МКС. До недавнего времени существовало лишь два пути: первый лежит через экспертный совет. В случае положительного заключения вас включают в долгосрочную программу экспериментов. Но такого рода регламент от момента постановки задач до момента реализации занимает много времени, порядка 6–8 лет. Любой эксперимент за эти годы потеряет свою научную новизну. Второй вариант – коммерческий, когда вы платите за всю работу, включая подъём и спуск груза, работу космонавтов и так далее. По этому пути идут наши зарубежные коллеги, когда проводят свои эксперименты в космосе. Компании нашего масштаба не могут себе позволить полностью оплачивать столь высокие расходы. И я благодарен коллегам из Роскосмоса за то, что нам совместно удалось создать третий путь – комбинированный, который мы назвали научный коммерческий эксперимент. Он предполагает прохождение экспертного совета для постановки в программу долгосрочных полётов, но при этом является частично коммерческим, что позволяет значительно сократить время и платить принципиально меньшие деньги.
В нашем случае это заняло 1,5 года, это приемлемые сроки, в которых работает, скажем, NASA. Мы поменяли систему взаимоотношений с Роскосмосом не только для себя, но и для всех, кто пойдёт за нами. Такая система по регламенту подходит не только для коммерческих компаний, но и для НИИ, которые могут предоставить внебюджетное финансирование.
Когда, на ваш взгляд, может быть напечатан и пересажен человеку такой сложный орган, как почка?
Это непростой вопрос. Мы являемся членами международного общества по биофабрикации и в 2014 году выпустили совместный пресс-релиз о том, что, по нашим оценкам, первый орган, напечатанный на биопринтере, может быть пересажен человеку к 2030 году. Это ориентировочный срок. Очень многое зависит от специфики законодательства и культурных особенностей той или иной страны. В США одно представление об этике, в Южной Корее – другое, в Европе – третье. И все участники сообщества, представляющие разные страны, должны были между собой договориться. Речь идёт о первой группе органов (хрящ), потому что внедрение клеточных продуктов в практику, особенно с использованием сложных технологий, занимает много времени. И мы определились, что это произойдёт к 2030 году. Хотя, конечно, это может быть сделано и гораздо быстрее. Если говорить про почку и сложные органы, то тут многое зависит как от развития самой технологии биопечати, так и от развития смежных технологий, например, связанных с работой над клетками. В почке более 20 типов клеток. На сегодняшний день мы пока не научились получать все эти 20 типов клеток с использованием клеточных технологий и технологий молекулярной биологии. У почки множество функций, и вполне возможно, что мы сначала научимся восстанавливать не всю почку, а ее определённые
функции. Если говорить о создании органа, то тут тоже возможны различные варианты.
Я вполне допускаю, что это будет не один большой орган (почка или печень), а тысячи микроорганов, которые значительно меньше, но в общей совокупности они будут работать как одна система и выполнять необходимые функции.
