3d биопринтер для печати органов
«Сердце» лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions — трехмерный биопринтер Fabion, который разработчики гордо называют первым российским коммерческим биопринтером, — «бьется» в специальном стерильном боксе в самом дальнем кабинете лаборатории. За стеклом стоит компактное, размером с кофемашину, устройство с разноцветными форсунками, в которые вставлены стеклянные картриджи. На первый взгляд, биопринтер мало чем отличается от обычного 3D-принтера. Это не удивительно: работает он по схожему принципу и частично собран из тех же компонентов. Ткани или части органов биопринтер печатает послойно по заданной цифровой трехмерной модели. Для печати требуются «биочернила» — так называемые тканевые сфероиды, «шарики» диаметром в 250 микрон, в которых содержится до тысячи живых клеток. Их в лаборатории получают заранее, заливая клеточную суспензию в предварительно подготовленные силиконовые формы. За сутки клетки самостоятельно формируют необходимые «строительные блоки». Другой важный компонент — «биобумага», специальный гидрогель, который скрепляет тканевые сфероиды и удерживает в единой структуре. Нанося «чернила» на «бумагу» слой за слоем, биопринтер создает живой трехмерный объект — тканевый конструкт, некий прообраз будущего органа. Правда, до момента, когда этот орган можно будет пересаживать в живой организм, предстоит выполнить еще множество операций — в частности дать органу «дозреть».
— Когда профессор Вэй Сан, ныне главный редактор международного журнала «Биофабрикация», в 2002 году впервые обсуждал с коллегами возможность биопринтинга, его называли сумасшедшим, — рассказывает Юсеф Хесуани, врач и исполнительный директор лаборатории 3D Bioprinting Solutions. — Сейчас, спустя двенадцать лет, никто не считает, что печать живых органов невозможна. Нам просто говорят, что мы занялись одним из самых трудных направлений регенеративной медицины.
«Третья индустриальная революция» — так обозначил в 2012 году журнал The Economist новый рубеж развития производства, связанный с 3D-печатью и сопутствующими ей цифровыми технологиями. Медики и биологи оказались в авангарде развивающегося тренда. С помощью все более сложных принтеров и программного обеспечения они смогли совместить методы трехмерной печати с последними достижениями регенеративной медицины — клеточными технологиями. Научные лаборатории по всему миру научились печатать прототипы частей тела и элементы отдельных органов. В Корнелльском университете (США) с помощью биопринтинга получили ушную раковину, в Институте регенеративной медицины Уэйк Форкст (США) разработали биопринтер для печати кожи. В Гарварде удалось напечатать сосудистые структуры.
Как объясняет Юсеф Хесуани, проще всего печатать плоские органы вроде кожи. Немного сложнее — тубулярные, то есть имеющие трубчатую форму, структуры (трахею, мочеточник, уретру). Еще труднее справиться с полыми органами сложной формы — мочевым пузырем, маткой. Но настоящим «твердым орешком» для ученых остаются органы нетривиальной формы — с разветвленным сосудистым руслом и сложной нервной сетью: почки, печень, сердце. В почке, к примеру, имеется более тридцати разных типов клеток и двенадцать порядков ветвления сосудов. До момента, когда такие органы можно будет массово печатать и трансплантировать в клинических условиях, пройдет, по оценкам экспертов, не менее десятка лет.
Печать почки — гиперцель лаборатории 3D Bioprinting Solutions, которую ее научный руководитель Владимир Миронов поставил перед командой с момента открытия учреждения в сентябре 2013 года. Путь к заветному органу, впрочем, лежит через щитовидную железу: именно она будет напечатана первой, к весне 2015‑го. Щитовидная железа — один из самых простых по форме и структуре органов, на котором компания сможет отточить свои навыки в биопринтинге. Несмотря на относительную простоту строения, железа выполняет важную задачу по снабжению организма группой жизненно необходимых гормонов. Главным из них является тироксин, для которого разработаны фармакологические заменители. Собственно говоря, из‑за наличия лекарств-заменителей ученые долго не обращали внимания на щитовидную железу: зачем печатать орган, дефицит которого можно спокойно заместить препаратами? «Между зависимостью от синтетических лекарств и возможностью жить с «родной», напечатанной из собственных клеток пациента железой существует огромная разница, — урезонивает скептиков Хесуани. — К тому же массовая печать и трансплантация щитовидной железы может оказаться настолько дешевой, что пациент навсегда избавится от приема препаратов».
На первом этапе строительным материалом для печати железы станут мышиные стволовые клетки. Получив орган, ученые поместят его в организм мыши, проверят на функциональность и в случае удачи переключатся на более крупных животных. Только после этого пойдет речь о печати щитовидной железы, предназначенной для реального пациента, из клеток человека. В качестве сырья ученые используют стволовые клетки двух видов происхождения. Одни выделены из эмбрионов мышей. Другие, так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, получены из взрослых организмов грызунов по методике, которую предложил японский ученый Синъя Яманака. За это открытие в 2012 году он удостоился Нобелевской премии. К слову, эмбриональные клетки человека, в отличие от мышиных, для производства органов использовать нельзя: их применение во всем мире считается неэтичным и запрещено. Клетки для экспериментов российским ученым поставляют коллабораторы из Бельгии. Гидрогель, который расходуется принтером в качестве «биобумаги», — коллеги из Гарварда. Однако центральное звено в технологическом процессе — трехмерный биопринтер Fabion — придумано и разработано собственными силами лаборатории 3D Bioprinting Solutions.
Биопринтер удалось построить за рекордные сроки — всего за полгода. В его основу легли разработки Владимира Миронова. Миронов — автор одной из первых публикаций о технологиях биопечати, вышедшей еще в 2003 году, профессор Университета штата Виргиния, совмещающий работу в Москве с проектами в Сингапуре, Гонконге и Южной Америке. Для него это уже четвертое устройство подобного рода: два сконструированных им биопринтера установлены в Канаде, еще один — в Бразилии. Российский принтер, по его словам, с точки зрения функциональности в настоящее время превосходит все мировые аналоги. В отличие от существующих на рынке моделей, Fabion позволяет использовать разные методы печати: гелем с клетками, гелем с тканевыми сфероидами, только тканевыми сфероидами. В сентябре лаборатория подала заявку на патентную защиту дизайна устройства.
Одним из главных инженерных вызовов для Миронова оказалось требование уменьшить габариты принтера. По задумке, устройство должно было помещаться в стандартный ламинар (стерильный бокс). Для этого установку разделили на отдельные модули — управления и печати. Система управления базируется на собственных программных разработках лаборатории. А вот в разработке конечной архитектуры и сборке принтера участвовали коллеги из Венского технологического университета. «Мы сотрудничали с инженерами, которые построили самый маленький в мире трехмерный принтер — обычный, а не биомедицинский, — поясняет Юсеф Хесуани. — Разработали дизайн, прописали техническое задание, подобрали основные компоненты. Австрийские коллеги должны были помочь с выбором простейших деталей, которых в принтере множество, — моторчиков, шлангов, приводных механизмов. Мы посчитали, сколько времени и средств нам потребуется на доставку комплектующих в Россию, и выяснилось, что собрать и протестировать принтер в Вене обойдется значительно дешевле. Детали из США и Германии в европейских странах доставляют за ночь, их легко заменить в случае неполадки, а в России мы могли бы ждать поставки и растаможки неделями».
3D-биопринтер — лишь один из участков линии по фабрикации органов. Для работы его нужно обеспечить «чертежом», то есть подробнейшей цифровой моделью, которая строится с использованием программного пакета AutoCad. Затем следует печать. Применение живых клеток диктует целый ряд технических особенностей в устройстве принтера. Так, при работе с живыми материями нельзя допускать нагрева: это приведет к температурному стрессу и гибели клеток. Печать необходимо проводить в стерильных условиях, чтобы избежать заражения, — то есть компоненты принтера, в которые вводится биоматериал, должны быть стерилизуемыми. Далее напечатанному конструкту нужно дать «дозреть» до состояния полнофункционального органа. Для этого его помещают на некоторое время в специальный биореактор, где он напитывается необходимыми газами и питательными веществами. Гидрогель, который находится в конструкте, в это время вымывается, а тканевые сфероиды срастаются, укрепляя основу органа.
— 95% существующих на рынке биопринтеров основываются на методе выдавливания геля с клетками, — говорит Хесуани. — При этом клетки не упаковываются плотно, как в живом организме. Наша технология более выигрышная: мы печатаем целыми массивами клеток. Если считать сфероид пикселом, то в каждом пикселе у нас содержится не один бит информации, а несколько тысяч. Это значительно ускоряет время печати и дает материал высокой плотности.
Однако принтеры, которые печатают сфероидами, намного сложнее и дороже большинства конкурентов из‑за особенностей конструкции системы позиционирования, форсунок, программного обеспечения. По словам руководителя лаборатории, затраты на разработки опытной модели биопринтера Fabion вылились в сотни тысяч евро. Рыночная цена устройств подобного класса колеблется от 250 тысяч до миллиона долларов. Стоимость промышленной модели российского биопринтера, как ожидают разработчики, окажется где-то у нижней границы этого диапазона. Интерес к приобретению принтера уже продемонстрировали ученые из Гарвардского и Айовского университетов. Всего же в мире над проблемами биопечати работает около 80 научных групп. Наладить серийное производство Fabion для них, по мнению Хесуани, не составит особого труда.
Кроме строительства и прямой продажи аналогичных устройств под заказ, существует множество способов монетизации биопринтинга. Российская лаборатория планирует освоить всю технологическую платформу биопечати, от получения исходного клеточного материала (получать стволовые клетки из жировой ткани здесь уже научились) до разработки биореактора и собственного гидрогеля. Тогда компания сможет выступать в качестве своеобразного биохаба и работать как с российскими, так и с международными научными группами над созданием разных тканевых конструктов.
Помимо ученых, отраслью интересуются фармкорпорации. «Большая Фарма» активно вкладывается в разработки биопринтеров: в дальнейшем это поможет сократить расходы на исследования новых препаратов», — поясняет руководитель 3D Bioprinting Solutions. Дело в том, что сейчас доклинические испытания новых препаратов на токсичность проводятся в несколько этапов: вначале на монослойных, двумерных клеточных структурах (это относительно дешево), затем на трехмерных и в организмах животных. Поведение клеток в двумерном и трехмерном пространстве нередко разнится, и результаты, полученные на втором этапе, могут оказаться совершенно неожиданными. Препарат, вначале проявивший себя как нетоксичный, потом обретает токсичность. Биопринтер же позволяет проводить всего один этап исследования, причем сразу на трехмерных структурах человеческих клеток, напечатанных с его помощью. Американская компания Organovo, лидер в области биопечати, активно развивает это направление: она подписала ряд соглашений с фармакологическими корпорациями и тестирует на небольших конструктах печени воздействие различных медикаментов. Кроме этого, принтер дает возможность создавать трехмерные модели различных заболеваний и проверять на них эффективность лекарств.
Главные надежды ученые связывают с созданием полноценных органов, которые в будущем смогут решить проблему дефицита донорского материала. Потенциал этого рынка огромен: в одном только Китае в очереди на трансплантацию почки стоит около полутора миллионов человек, а на черном рынке органы продаются за $200–250 тыс. Понятно, что напечатанные органы тоже будут довольно дорогими, однако их стоимость, по прогнозам ученых, даже на первых этапах будет сопоставима с ценой на теневом рынке. В дальнейшем, с возникновением автоматизированных массовых биофабрик, производство органов станет еще дешевле.
Рынок клеточных технологий (и биопечати в том числе) уже вошел в стадию активных исследований, апробации и преклинических, а в некоторых странах и клинических испытаний. В Японии, к примеру, этой осенью 70-летней пациентке пересадили сетчатку глаза, выращенную из стволовых клеток. Этот орган учатся печатать на трехмерных биопринтерах, так что в случае успешных результатов подобные операции могут поставить на поток. Печать органов и тканей — хорошая «точка входа» в многообещающий сектор биотехнологий. По оценкам исследовательской компании TechNavio, рынок биопринтинга вырастет к 2018 году почти вдвое, до $890 млн, по сравнению с $450 млн в 2013‑м. На Западе финансирование биопечати ведется невероятными темпами: кроме «Большой Фармы», ею интересуются крупнейшие игроки пищевой и оборонной промышленности, медицины, ветеринарии. В России инвесторы относятся к инновационной отрасли довольно осторожно. «Речь идет о прорывных технологиях, поэтому частным инвесторам мы интересны в первую очередь как венчурный проект, — поясняет Юсеф Хесуани. — Эта сфера связана с большими рисками, но и с большими возможностями».
Основной инвестор 3D Bioprinting Solutions — компания лабораторной диагностики «Инвитро»: она вложила в стартап около трех миллионов долларов. В настоящее время лаборатория биотехнологических исследований активно ищет дополнительное финансирование под краткосрочные проекты и готовит документацию для гранта фонда «Сколково». Массовое клиническое применение продуктов и выход на IPO, согласно стратегии компании, запланированы на 2018–2020 годы. «Но мы уже сейчас хотим перенести технологию биопринтинга из лаборатории в клинику», — заявляет Хесуани.
Сделать это он намеревается, в частности, путем создания устройства BioPen — миниатюрного биопринтера, который выглядит как ручка (или пистолет) и может использоваться хирургом для замещения определенных дефектов кожи, хрящей или костей с помощью гидрогеля и тканевых сфероидов. Грубо говоря, на пациента возможно будет поставить «заплатку» — причем напечатанную из его же собственных клеток. Трехмерную компьютерную модель такого тканевого пистолета ученые 3D Bioprinting Solutions уже разработали. Следующий шаг — напечатать модель на обыкновенном трехмерном принтере и дать ее в руки хирургам для оценки удобства и эргономичности будущего устройства. Впрочем, у проекта большие финансовые аппетиты: необходимые инвестиции Хесуани оценивает в десятки миллионов рублей. Дело в том, что компании придется разработать не только сам пистолет, но и расходные материалы для него.
Однако на пути биопечати к клиническому применению могут встать юридические барьеры. В настоящее время российского законодательства о клеточных технологиях не существует, и научно-производственные лаборатории, в том числе при клиниках, по сути, работают в «сумеречной» — с юридической точки зрения — зоне. Законопроект «Об обращении биомедицинских клеточных продуктов» ходит по кабинетам уже четыре года. Первоначальная его версия устанавливала довольно жесткий порядок разработки, производства и медицинского применения клеточных продуктов, однако по мере обрастания правками текст несколько смягчался. Тем не менее за последние пару лет в России не была зарегистрирована ни одна новая клеточная технология и не выведен на рынок ни один новый препарат. Судьба законопроекта прямо отразится на отрасли биопечати, поскольку та имеет дело с производством стволовых клеток.
— В последние пару лет возникло целое ответвление медицинского туризма — клеточный туризм, когда пациенты ездят на лечение в страны с более лояльным законодательством по клеточным технологиям, — рассказывает Юсеф Хесуани. — Деньги, привлекаемые с помощью такого туризма, вкладываются в дальнейшее развитие отрасли. В результате страны, которые еще недавно не значились среди лидеров по биотехнологиям, выходят на передовую науки. Так произошло, например, в Южной Корее.
Возможно, логичнее было бы доверить отладку отрасли не Кабинету министров, а саморегулируемым профессиональным организациям. Такие организации — прежде всего международные — осуществляли бы необходимый контроль на всех этапах создания новых технологий. Не исключено, что система «самопроверки» в итоге работала бы эффективнее, чем государственный регулятор: ученым пришлось бы отстаивать идеи и согласовывать конечные продукты в высококонкурентной профессиональной среде. И, напротив, излишнее госрегулирование отрасли, в которое может вылиться принятие жесткого закона, способно привести к тому, что вслед за пациентами в страны с более лояльным законодательством станут мигрировать и технологии, и кадры. Сценарий, при котором ученые и чиновники придут к согласию и уладят вопрос регулирования отрасли полюбовно, тоже вероятен: в конце концов, правительство проявляет заметный интерес как к аддитивным, так и к клеточным технологиям. Поэтому не исключено, что первая в мире напечатанная на трехмерном принтере почка появится все же в России.
>>>БАЗЫ ДАННЫХ(EMAIL, ТЕЛЕФОНЫ). БЕСПЛАТНО.<<<
Добавить комментарий