Клетки для биофабрики
Ученые «Росатома» развивают технологии биофабрикации
На последних двух Форумах будущих технологий биомедицинские технологии «Росатома» были в центре внимания. В прошлом году звездой мероприятия стал кролик по имени Заяц, которому успешно вживили сосуд, выращенный в биофабрикаторе. В этом году президенту РФ показали тканеинженерный сердечный клапан и конструкции для редактирования генома. Куда движется биофабрикация и когда ее разработки станут доступны широкому кругу пациентов, «Вестник атомпрома» спросил у Ирины Захаровой — кандидата биологических наук, начальника лаборатории геномных технологий и тканевой инженерии Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (НИИТФА).
— Расскажите немного о себе. Чему и где вы учились, чтобы сегодня заниматься биофабрикацией?
Что такое биофабрикация?
Технологии создания тканевых эквивалентов органов из живых клеток разрабатываются во всем мире с начала 2000-х годов. Самый распространенный метод — биопечать, послойное нанесение биочернил (клеток). Одним из первых практических применений биопринтинга стала печать кожи для лечения ожоговых ран. Основной недостаток биопечати в том, что в процессе формирования тканевого эквивалента клеткам не хватает питания: пока наращивается верхний слой, нижний может погибать. В «Росатоме» разработали метод биофабрикации. Управляя клеточным материалом в питательной среде при помощи физических полей, ученые формируют сфероиды — клеточные конгломераты диаметром 200–300 мкм, которые обладают способностью сливаться, создавая внеклеточный матрикс и единую структуру. Из них и «собирают» нужный эквивалент участка органа. Но сразу после формирования он не готов к пересадке — он должен «дозреть» и получить необходимые биомеханические свойства в биореакторе. При необходимости его скручивают, сообщают пульсацию или имитируют другие процессы, присущие живому организму. Сейчас в «Росатоме» умеют выращивать в биопринтере простые системы, исследования направлены на создание функциональных участков органов, например сердца, печени. Для использования их в трансплантологии также предстоит решить проблемы, связанные с васкуляризацией (формированием кровеносных сосудов) и интеграцией имплантируемых органов в организм.
Подробности
— Я — биолог, науку эту полюбила еще в школе, которую окончила с золотой медалью. Поступила в Новосибирский государственный университет, на факультет естественных наук. У нас была очень сильная подготовка не только по биологии, но и по физике, химии, математике. Будучи студенткой второго курса, я пришла работать в Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЦиГ СО РАН) — самый крупный генетический институт в нашей стране. Попала в лабораторию эпигенетики развития под руководством профессора Сурена Минасовича Закияна, который впоследствии стал научным руководителем моей кандидатской диссертации. Именно в ИЦиГ я начала работать с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Я реализовала несколько проектов, поддержанных Российским научным фондом. В частности, по моделированию наследственного заболевания — семейной гиперхолестеринемии — на васкуляризированных гепатоорганоидах, созданных из ИПСК. Кроме того, в 2012 году мы начали большую работу с коллегами из Национального медицинского исследовательского центра им. академика Е. Н. Мешалкина, который специализируется на кардиоваскулярных заболеваниях. В этих работах мы с коллегами заложили фундаментальную основу для создания клеточных продуктов для регенеративной медицины. Сегодня эти разработки продолжаем уже в «Росатоме» и рассчитываем вскоре довести до практического использования.
— Что за чудесные плюрипотентные клетки?
— Плюрипотентные стволовые клетки человека существуют на стадии раннего эмбрионального развития, из них образуются все типы клеток развивающегося организма. Они называются эмбриональными стволовыми клетками, способны к неограниченному размножению и образованию клеток всех типов даже in vitro, то есть в чашке Петри в лабораторных условиях. Эти свойства делают их крайне перспективными для регенеративной медицины. Однако они есть только у эмбриона на ранней стадии, у взрослого человека эмбриональных стволовых клеток нет.
В 2012 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Джону Гёрдону и Синье Яманаке за открытие индуцированной плюрипотентности, то есть возможности «перепрограммировать» любые зрелые клетки в плюрипотентные стволовые. Оказалось, что клетки взрослого организма можно возвращать в эмбриональное состояние. Такие клетки получили название индуцированных плюрипотентных стволовых, или ИПСК. А затем, зная нужные молекулярные механизмы, можно дифференцировать ИПСК, то есть «превращать» неспециализированные стволовые клетки в нужные нам специализированные — сосудов, мозга, печени, костей… Открытие стало настоящим прорывом в регенеративной медицине: из ИПСК можно «вырастить» новые пациент-специфичные ткани и органы, исключив риск иммунного отторжения при трансплантации. Эти клетки можно применять для моделирования заболеваний, тестирования лекарств.
В том же 2012 году произошло еще одно значимое событие: Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье предложили метод редактирования генов с помощью так называемых «генетических ножниц» CRISPR-Сas. В 2020 году их открытие было удостоено Нобелевской премии по химии. Эта революционная технология основана на адаптивном иммунитете бактерий, она позволяет исправлять мутации и вносить изменения в последовательности генов. Таким способом можно направленно редактировать гены плюрипотентных стволовых клеток.
— Вы применяли ИПСК для моделирования гиперхолестеринемии. Эта болезнь часто встречается?
— Довольно часто. Носителем заболевания является каждый трехсотый житель планеты. Больных тяжелой гомозиготной формой меньше — примерно один на миллион. Эти люди редко живут дольше 25 лет, большинство рано умирают от сердечно-сосудистых патологий. Гиперхолестеринемия вызывает мутации в генах рецепторов липопротеинов низкой плотности. На гепатоцитах — клетках печени — есть рецептор, который в норме должен акцептировать, то есть ловить, липопротеины низкой плотности, связываться с ними в крови и метаболизировать, перерабатывать их. Если этого не происходит, то липопротеины низкой плотности остаются в кровотоке и со временем откладываются на стенках сосудов в виде холестериновых бляшек, которые провоцируют инфаркты, инсульты и другие опасные для жизни состояния.
В своем исследовании я работала с клетками крови больных семейной гиперхолестеринемией, проходивших лечение в Национальном медицинском исследовательском центре кардиологии им. академика Е. И. Чазова. Из клеток крови получала ИПСК, далее дифференцировала в гепатоциты и эндотелиоциты — клетки печени и сосудов. В основном исследователи гиперхолестеринемии изучают клетки печени, но бляшки-то откладываются именно в сосудах. Я поставила перед собой задачу посмотреть, есть ли в эндотелиоцитах молекулярные признаки патологии. А затем с помощью геномного редактирования исправить мутацию в клетках.
— Получилось?
— Не до конца, исправилась только одна родительская копия мутантного гена. Работа продолжается в нашей лаборатории при поддержке Российского научного фонда совместно с коллегами из Томского НИИ медицинской генетики, НМИЦ кардиологии им. академика Е. И. Чазова, ИЦиГ СО РАН. Сегодня во всем мире пока есть только один одобренный препарат, основанный на геномном редактировании, — для лечения бета-талассемии и серповидноклеточной анемии. Кроме того, порядка 200 высокотехнологичных препаратов на основе ИПСК проходят доклинические и клинические исследования. В тестах принимают участие порядка 1500 пациентов в 17 странах мира. Геномное редактирование и клеточные препараты на основе ИПСК буквально на пороге широкого применения.
— Какие задачи стоят сегодня перед вашей лабораторией?
— Технологии биофабрикации уже сегодня позволяют нам создавать некоторые ткани и фрагменты органов из функциональных клеток пациентов. Но универсальным и уникальным источником для получения тканевых эквивалентов станут именно плюрипотентные стволовые клетки. Они обладают неограниченным регенеративным потенциалом. Их можно замораживать, как все живые клетки. И в любой момент дифференцировать, то есть направлять в любые клетки организма. С прошлого года мы вовлечены в крупнейший проект: работаем в рамках Центра геномных исследований мирового уровня совместно с Федеральным научно-клиническим центром физико-химической медицины им. академика Ю. М. Лопухина над получением низкоиммуногенных ИПСК для создания универсальных донорских клеточных продуктов, которые подойдут широкому кругу пациентов и благодаря низкой иммуногенности не будут вызывать иммунный ответ.
Американская биотехнологическая компания Universal Cells, специализирующаяся на разработке универсальных донорских стволовых клеток, получает ИПСК, используя безопасные адено-ассоциированные вирусные векторы для редактирования генома. Мы пошли другим путем. С помощью метода геномного редактирования CRISPR-Cas (его самой продвинутой безопасной версии праймированного редактирования) мы отключаем в клетках гены иммунного ответа и включаем гены иммунной толерантности.
В прошлом году мы получили клетки от условно здорового донора и создали генетические конструкции — кольцевые молекулы ДНК, которые, попадая в клетку, позволяют вносить изменения в геном, не встраиваясь в него. В этом году соединяем клетки и новые генетические конструкции. К концу года мы уже должны получить первую линию низкоиммуногенных индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. А дальше — подтвердить их характеристики для применения в клинической практике.
— Приведите, пожалуйста, пример универсального клеточного продукта, который можно создать из таких клеток.
— У нас в разработке инновационная заплата для ангиопластики — устранения дефектов сосудов, например, после удаления атеросклеротических бляшек. В России проводится порядка 20 000 операций по удалению атеросклеротических бляшек в год, и примерно четверть из них — с использованием таких заплат. Сейчас заплаты делают из синтетических или биологических (ткани животных) материалов. Но сосуд человека имеет очень сложную структуру. Он состоит из трех видов клеток: эндотелиальных, гладкомышечных и фибробластов. Каждый из клеточных слоев вырабатывает свой межклеточный матрикс, то есть функциональные молекулы, благодаря которым сосуд выполняет свои задачи. К сожалению, риски отторжения организмом искусственных заплат и повторной закупорки сосудов довольно велики. Возникает необходимость проводить повторную операцию. Мы предлагаем заселять заплаты эндотелиоцитами, полученными из ИПСК, чтобы повысить биосовместимость заплат. Задача клеточно-заселенных продуктов — привлекать собственные клетки реципиента и помогать им расположиться в правильной ориентации. Второй продукт, который мы разрабатываем, — клеточно-заселенный трубчатый тканевый эквивалент сосуда.
— Такой пересадили знаменитому кролику Зайцу?
— Зайцу пересадили эквивалент на основе неуниверсальных клеток. Новая же разработка будет заселена универсальными эндотелиальными клетками, полученными из низкоиммуногенных ИПСК. Проект рассчитан до 2030 года включительно. К этому моменту мы должны закончить доклиническое исследование клеточно-заселенных заплат. Тканеинженерные клеточно-заселенные трубчатые эквиваленты сосудов должны в 2029 году выйти на доклиническое исследование. Кроме того, до 2030 года мы планируем официально зарегистрировать полимерные бесклеточные трубчатые тканевые эквиваленты, которые будут являться основой для клеточно-заселенных. В этот период мы также начнем эксперименты по созданию паращитовидной железы на основе ИПСК. У нас запланированы и космические эксперименты. Дело в том, что в условиях микрогравитации биофабрикация может быть эффективнее: клетки лучше вырабатывают межклеточный матрикс. Сейчас в научной среде обсуждаются мысли: а почему бы не наладить биофабрикацию тканевых эквивалентов на Международной космической станции или на планируемой Российской орбитальной станции?
— Когда продукты из ИПСК станут доступны в российских клиниках?
— Наши разработки пока еще не дошли до стадии клинических исследований — они тестируются не на людях, а в чашках Петри и на животных. В стране ведутся исследования ряда продуктов на основе ИПСК. В частности, в Федеральном научно-клиническом центре физико-химической медицины им. Ю. М. Лопухина тестируют продукты для лечения нейродегенеративных заболеваний и диабета. Клеточные продукты на основе ИПСК активно развиваются в мире. В России эту работу надо расширять. В перспективе ближайших 10 лет можно говорить о клиническом применении.
Подробности
Форум будущих технологий: биоэкономика для человека
Форум будущих технологий (ФБТ) проводится с 2023 года в Центре международной торговли в Москве. Он стал флагманским событием, в рамках которого ведущие эксперты, ученые, представители бизнеса и органов государственной власти обсуждают передовые научные разработки и продуктовые решения на их основе. Традиционно в форуме принимает участие президент РФ Владимир Путин.
В этом году ФБТ прошел 25–26 февраля, главной темой стала биоэкономика для человека. Эксперты «Росатома» приняли активное участие в деловой программе, стенд госкорпорации был представлен на выставке новейших инновационных решений в сфере биоэкономики, которая прошла в рамках форума. На ФБТ традиционно работают две экспозиции: одна — для широкой общественности, другая — для президента, министров и глав корпораций. «Закрытую» часть представил Владимиру Путину генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев. В ней, в частности, были разработки для медицины: созданные в лаборатории конструкции для редактирования генома, тканеинженерный сердечный клапан, ядерные батарейки для кардиостимуляторов и др.
«Наши ученые научились создавать биологические конструкции, которые перепрограммируют стволовые клетки человека в универсальные и пригодные для выращивания тканей, которые подойдут любому пациенту и не вызовут иммунного отторжения, — рассказал Алексей Лихачев. — Мы начинаем выращивать в биопринтерах конструкции более сложные, чем эквивалент сосуда, который презентовали в прошлом году. Созданный нами сердечный клапан человека — это пока еще пассивная система, и наша следующая задача — перейти к системам функциональным».
Звездой прошлогоднего ФБТ стал кролик по кличке Заяц, которому вживили сосуд, выращенный в биофабрикаторе «Росатома». Алексей Лихачев сообщил Владимиру Путину, что Заяц «жив, здоров и нашел подругу сердца».
— Расскажите о вашей команде.
— В научно-производственном центре медицинских изделий и клеточных продуктов НИИТФА три лаборатории, я руковожу лабораторией геномных технологий и тканевой инженерии. Коллектив у нас молодой, средний возраст сотрудников — 33 года. Есть и опытные специалисты с большим заделом в геномных и клеточных технологиях. Значительная часть специалистов — биоинженеры, выпускники МИФИ, МИСиС, есть студентка РНИМУ им. Н. И. Пирогова. Но этого мало, коллективу нужно пополнение, мы работаем над этим. У нас есть совместная учебно-научная лаборатория в МИФИ, которой я по совместительству руковожу. Она дает возможность формировать у студентов комплексное биоинженерное видение на практике.
Комментарий
Дмитрий Чесноков
Генеральный директор Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (НИИТФА)
— На Форуме будущих технологий в этом году рассказывали о биофабрикаторах нового класса — установках, которые не просто печатают, но и формируют клеточный материал в трехмерном пространстве. На каком этапе эта разработка сейчас?
— Сейчас установка находится в активной стадии доработки. Мы переходим от печати простых структур к созданию действительно сложных тканеинженерных конструктов. Параллельно развиваем информационные технологии, чтобы управлять процессом в реальном времени и автоматизировать его.
— Совместно с ФМБА России создаются низкоиммуногенные универсальные клетки для банка клеточных эквивалентов. Когда такой банк может стать реальностью для российских клиник?
— Точные сроки внедрения такого банка в клиническую практику пока не определены. Это обусловлено не только научно-технологическими вызовами, но и необходимостью формирования соответствующей нормативно-правовой базы, а также уровнем государственной поддержки. Требуется разработка специализированной нормативной базы для подобной продукции, обеспечение финансирования этапов масштабирования и межведомственное взаимодействие. При благоприятном сценарии возможность пилотного применения в отдельных медицинских учреждениях может быть достигнута в пределах трех — пяти лет.
— Тканевые структуры как модели для оценки радиофармпрепаратов — это уже рабочий инструмент или пока концепция? Есть ли клиники, готовые это применять?
— Тканевые структуры как модели для оценки радиофармпрепаратов уже давно являются полноценным рабочим инструментом. Такой подход позволяет оценивать распределение препарата в ткани, снижать потребность в экспериментах на животных и ускорять скрининг. Одним из направлений исследований являются системы «орган на чипе» — микрофлюидные устройства, позволяющие моделировать биологические процессы. Однако масштабное внедрение требует дополнительной валидации методов.
— Как в России регулируется направление биофабрикации? Что сейчас является главным барьером для выхода в клинику — наука, регуляторика или экономика?
— На первый взгляд может показаться, что главные барьеры — наука и экономика, но это не так. Основная сложность заключается в длительном и многоступенчатом процессе доказательства безопасности и эффективности в условиях, когда специализированного законодательства для 3D-биопечати органов и тканей не существует. Действующие нормативные акты, регулирующие обращение медицинских изделий и лекарственных средств, не в полной мере учитывают специфику биопечатных продуктов. Отсутствуют утвержденные процедуры регистрации, эталонные стандарты качества, а также четкие требования к доклиническим и клиническим исследованиям таких продуктов. Это создает неопределенность для разработчиков и инвесторов. В настоящее время Минздрав России и Росздравнадзор ведут работу по адаптации существующих подходов, однако требуется синхронная модернизация как регуляторной базы, так и экономических механизмов, чтобы технология могла быть внедрена в клиническую практику.
— Как изменился запрос от российских клиник после 2022 года и как НИИТФА на него ответил?
— Клиники стали значительно активнее рассматривать отечественную технику, особенно в высокотехнологичных направлениях, где ранее доминировали зарубежные поставщики. Запрос сместился в сторону гарантий сервисной поддержки, полной локализации и независимости от импортных комплектующих. НИИТФА ответил на этот вызов в том числе ускорением разработок в области биофабрикации, которые могут закрыть потребности, ранее не обеспеченные российскими решениями.
— Какую из новых технологий института вы считаете наиболее перспективной?
— Все направления, по которым мы работаем, являются важными и имеют большой потенциал. Каждое из них нацелено на решение конкретных задач в области радиационной медицины и биотехнологий. Среди них особый интерес представляет направление, связанное с созданием тканеинженерных конструкций, потенциал которых может выходить за рамки замещения поврежденных тканей и органов. Данные разработки могут открыть новые возможности для исследования радиофармацевтических препаратов и иных лекарственных средств на специализированных биологических моделях без проведения испытаний на животных, что позволяет расширить спектр исследований и повысить их прогностическую ценность.
