Как ученые создают искусственные органы? Какое будущее ждет трансплантологию? Эксперты ПостНауки рассказывают о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Федор Сенатов: 3D-принтер
В 2010-х годах, когда появились доступные коммерческие 3D-принтеры, ученые поняли, что с помощью этой технологии можно получать искусственные ткани. Сейчас развиваются компании, которые печатают имплантаты хрящей, костей и суставов.
У аддитивных технологий есть большое преимущество в получении искусственных органов и тканей – высокая точность воспроизведения и индивидуализация. Они позволяют повторить геометрию органа и ткани конкретного пациента, а иногда полностью восстановить архитектурные особенности утраченного органа.
Однако у таких изделий есть серьезный минус: у них низкая механическая прочность. Например, имплантаты из титана, напечатанные на 3D-принтере, и имплантаты, отлитые из металла, разные по механике. У напечатанных имплантатов низкая прочность, поэтому их нужно дополнительно обрабатывать, например, температурным обжигом.
Петр Тимашев: Тканевая инженерия
Каждый человек уникален, поэтому сейчас вся медицина становится персонализированной: лекарства и диеты подбираются под конкретного пациента. Когда речь заходит о масштабном производстве органов и тканей, возникает вопрос: как стандартизировать этот процесс? О промышленных масштабах производства искусственных органов мы не сможем говорить еще долго. Будущее – клиника для одного человека, когда врач видит пациента как сочетание возраста, генетических и эпигенетических факторов, которые влияют на его здоровье.
Главный тренд в тканевой инженерии – не создание одинаковых органов или тканей, а индустрия вокруг одного человека. Яркий пример – трехмерные технологии биопринтинга, где с помощью компьютерной или магнитно-резонансной томографии снимаются повреждения, а на 3D-биопринтере воспроизводятся утраченные ткани.
Ключевая тема всех научных конференций по тканевой инженерии – трансляция разработок в клинику. Так что в ближайшие 10–20 лет какие-то подходы тканевой инженерии появятся в клинической практике. Уже существуют операции по пересадке искусственных органов и тканей человека. Однако в России зарегистрировано всего 10–12 клинических испытаний, из них только одно в 2019 году (согласно данным с Clinicaltrials.gov, клинических испытаний по тканевой инженерии за последние 10 лет четыре, по регенеративной медицине в целом тридцать восемь, а в 2019 году только одно).
Владимир Миронов: 3D-биопринтинг
Есть три основных направления для получения искусственного органа. Первое – классическая тканевая инженерия, когда из биодеградируемого (растворяющегося) полимера производится губчатая или волокнистая поддержка – скаффолд. После ученые наращивают на скаффолде клетки пациента и помещают конструкцию в специальный биореактор – резервуар с питательной средой. Там клетки начинают пролиферировать, синтезировать клеточный матрикс, интегрируются, и в итоге образуется живая ткань.
Второе направление – децеллюляризация: очистка каркаса органа или ткани от клеточного компонента. Все живые клетки покрыты липидной мембраной, а химические детергенты – кислоты или ферменты – растворяют ее. После остается каркас органа, внеклеточный матрикс, где сохраняются кровеносные сосуды. Далее ученые вкалывают клетки реципиента в матрикс, например, печени, гепатоциты, а в оставшиеся сосуды вводятся эндотелиальные клетки (клетки выстилки кровеносных сосудов), обеспечивающие движение крови без тромбоза. В 2018 году в Миннесоте и Майями ученые впервые успешно пересадили печень свиньи.
Однако у децеллюляризации есть проблемы: поставка органов и эндотелизация сосудов. Если перфузировать кровь в участках, где нет эндотелия, то будут возникать тромбозы, и может развиться эмболия, что приведет к гибели человека.
Третье направление – трехмерная биопечать, одно из перспективных и мультидисциплинарных направлений в современной биомедицине. С одной стороны, это логическое развитие тканевой инженерии, то есть роботическая или автоматическая биофабрикация трехмерных тканей и органов человека из живых клеток и биоматериалов. Но с другой стороны – манифестация технической революции, основанной на применении в биомедицине технологий быстрого прототипирования (rapid prototyping) или аддитивного (послойного) производства (additive manufacturing). Трехмерная биопечать – это часть стремительно развивающейся цифровой экономики (digital economy), поскольку невозможно напечатать орган человека без разработки цифровой модели.
Хотя работа над технологией трехмерной биопечати ведется уже два десятилетия, несмотря на достигнутый прогресс, пока еще ни один напечатанный орган не был пересажен человеку. Однако существует Международное общество биофабрикации, которое организует регулярные международные конференции, издает журналы, учебники и монографии о технологиях трехмерной биопечати. Коммерческие биопринтеры выпускают уже несколько десятков компаний. Нашей команде в 2015 году впервые удалось напечатать функциональный орган – щитовидную железу мыши, а в будущем мы сможем напечатать и орган человека.
Гибридную, in situ и четырехмерную биопечать выделяют как перспективные направления в технологии. Гибридная биопечать основана на комбинации двух или более методов биофабрикации, из которых по крайней мере один – метод трехмерной биопечати. Например, метод экструзивной биопечати можно комбинировать со струйной биопечатью или с методом электроформирования (electrospinning), что позволяет получить тканевую или органную конструкцию более сложной геометрии и композиции. In situ биопечать позволяет печатать ткани в операционной комнате прямо на теле пациента. Одно из перспективных вариантов in situ биопечати – технология роботической биопечати тканево-инженерных волос для лечения облысения. Четырехмерная биопечать использует биоматериалы с памятью формы (так называемые shape-memory biomaterials), которые позволяют программировать изменения формы напечатанной конструкции после окончания биопечати.
Анна Карягина, Александр Громов: Рекомбинантные белки
Будущее медицины за созданием структур с заданными свойствами для конкретного человека. Задача ученых – сделать имплантат максимально близким по свойствам к тканям человека. Наука позволяет брать химические вещества как детали для конструктора и собирать из них объекты с нужными функциями и определенной формой.
Получение полимеров, насыщенных биологически активными факторами роста, – сложная задача, которая решается только коллективными усилиями ученых различных специальностей. Это распахивает двери для развития персонализированной медицины – замена органов и дефектов тканей решается в частном порядке. У людей разная форма костей и нагрузка на органы, поэтому важно подбирать форму имплантатов индивидуально.
В Национальном исследовательском центре эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н. Ф. Гамалеи мы разрабатываем рекомбинантные белки, в частности костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) и эритропоэтин, которые могут индуцировать образование костной ткани и способствовать лучшему кровоснабжению новообразованной кости. Из композитного соединения белков с полимерными материалами можно делать имплантаты различной формы и величины с различными свойствами – например, резорбируемые и нерезорбируемые имплантаты, способные к плотному срастанию с материнской костью. Новые материалы пригодны как для формирования индивидуальных имплантатов в челюстно-лицевой хирургии, так и для замены фрагментов крупных костей при тяжелых переломах. Разработка проводится совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС». Мы создаем инновационные имплантируемые материалы, которые будут широко использоваться в персонализированной медицине – медицине будущего.
Об авторах:
Федор Сенатов – кандидат физико-математических наук, сотрудник научно-исследовательской лаборатории гибридных наноструктурных материалов, Научно-исследовательский центр композиционных материалов НИТУ «МИСиС».
Владимир Миронов – MD, PhD, научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions.
Петр Тимашев – доктор химических наук, директор института регенеративной медицины, заведующий отделом современных биоматериалов, МГМУ им. И. М. Сеченова.
ПостНаука
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
