количество статей
2668

Владимир Александрович Миронов: "Технология трехмерной биопечати"

www.nanonewsnet.ru | 31.10.2013
Каждый год миллионы людей испытывают острую потребность в органах для пересадки, в то время как найти доноров становится все сложнее. В этих условиях остро ощущается потребность в альтернативных подходах к лечению тяжело больных пациентов. Многие ученые предлагают свои варианты, как можно спасать жизни, не используя пересадку органов от человека к человеку.

Решением проблемы нехватки донорских органов является регенеративная медицина – область науки, занимающаяся восстановлением пораженной болезнью или поврежденной (травмированной) ткани с пмощью активации эндогенных стволовых клеток или с помощью трансплантации клеток (клеточной терапии).

Регенеративная медицина, как известно, включает в себя ряд направлений: и генную терапию, и клеточную трансплантацию, и генную инженерию, и многое другое.

По словам профессора Миронова, сейчас можно выделить три основных направления развития регенеративной медицины. Во-первых, пойти более традиционным путем – использовать технологию 20-го века, которую предложил профессор Сергей Селышев с кафедры биомедицины Московского института Электроники – замене живых органов искусственными. О втором, достаточно радикальном подходе недавно заговорил нобелевский лауреат Шинья Иманака. Его концепция заключается в том, чтобы брать стволовые клетки человека и выращивать работающие органы в утробе суррогатных матерей, «отключая» гены, отвечающие за развитие мозга. Иными словами, использовать ацефалов. Однако такой путь развития регенеративной медицины по понятным причинам не слишком приемлем в современном обществе. И, наконец, третий путь – это 3D-печать органов, то есть, organ-engineering или – 3D-биопринтинг.
Владимир Александрович Миронов – научный руководитель Лаборатории 3D Bioprinting Solutions – тканевый инженер, автор первой публикации о печати органов, соавтор таких патентов как «Изготовление сосудистых протезов из нановолокон», «Аппарат для производства тканевых сфероидов» и «Гидрогель для получения объемных тканевых конструктов», профессор Университета Вирджинии, член попечительского совета Сколково, признанный эксперт роботизированной биофабрикации.
Владимир Александрович Миронов – научный руководитель Лаборатории 3D Bioprinting Solutions – тканевый инженер, автор первой публикации о печати органов, соавтор таких патентов как «Изготовление сосудистых протезов из нановолокон», «Аппарат для производства тканевых сфероидов» и «Гидрогель для получения объемных тканевых конструктов», профессор Университета Вирджинии, член попечительского совета Сколково, признанный эксперт роботизированной биофабрикации.
3D-биопринтинг – это одна из наиболее интересных областей, возглавляющих сегодня рейтинги самых инновационных технологий 2013 года, отмеченных аналитическими компаниями Gartner, РБК и крупнейшего американского агентства JWT.

Как известно, технология 3d-печати появилась еще в конце 80х. На сегодняшний день она достаточно развита и активно используется в задачах прототипирования промышленных изделий, принося 1млрд. долларов дохода в год. Промышленные 3D-принтеры становятся с каждым годом все доступнее, в этом году в продажу поступили портативные устройства по цене всего 1500 долларов. Принтеры для печати биоматериала также уже присутствуют в продаже, такое оборудование доступно по цене от 150 до 500 тысяч долларов. С появлением этих устройств на рынке исследователи получили новые ранее не доступные возможности. Ученые вплотную подошли к реализации идеи того, что можно воссоздавать внутренние органы человека не прибегая к использованию доноров.

Первые упоминания 3D-биопринтинга относятся к 2003 году, когда профессор Миронов и его команда опубликовали научную статью на эту тему. Постепенно в мире сложилось сообщество ученых, занимающихся данной областью исследований: появился специализированный научный журнал Biofabrication, общество Society of biofabrication, в рамках мероприятий которого прошло уже 5 международных встреч специалистов, есть секция по биопринтингу в Международной Ассоциации Тканевой Инженерии и Регенеративной Медицины.

Что меня удивляет больше всего – это то, что в разных странах мира растет количество диссертаций на тему биопринтинга. У меня была «сырая» идея, а теперь люди по всему миру пишут диссертации, предлагают реальные решения, – делится профессор Миронов.

Как же можно вырастить живой орган?

Технология 3D-печати разделяется на несколько основных этапов.
  • На первом этапе с помощью специального программного обеспечения создается компьютерная модель, так называемый «блюпринт». Одной из особенностей такой модели, как объясняет профессор Миронов, является то, что это не просто «скан» органа с нужной детализацией: живые ткани динамичны, имеют способность сокращаться, и это значит, что модель должна быть бóльших размеров, чем будущий орган.
  • На втором этапе с использованием созданной модели производится непосредственно печать при помощи биопринтеров.
  • Заключительный этап профессор Миронов называет ускоренным тканевым созреванием (accelerated tissue moderation). На этом этапе орган находится в биореакторе под постоянным мониторингом.

Владимир Александрович поясняет: «То, что получается на выходе печати мы называем трехмерным тканевым констрактом. Для того, чтобы от констракта перейти к органу и нужен третий этап. В рамках этого этапа с помощью специальных веществ необходимо ускорить созревание тканевых структур, чтобы механические свойства тканей соответствовали требуемым для пересадки».

3_stages.jpg

Как же печатается орган определенной формы, размера, массы?

В области трехмерной печати органов наиболее распространенной является Скаффолд-технология (scaffold-technology)1, которую развивает подавляющее большинство специалистов.

Наиболее распространенной в биопечати является концепция скаффолдов – биодеградируемой губчатой поддержки-матрикса, сделанной в форме печатаемого органа, которая заполняется с помощью биопринтера клетками, и которая впоследствии замещается соединительной тканью в биореакторе в момент тканевого созревания. Такой технологией занимается 95% ученых. Другая концепция – использование в качестве основы и поддержки гидрогеля вместо твердого полимера. Я предложил технологию 3d-bioprinting system, когда для биопринтера используется два наконечника: в одном – фибриноген, в другом – тромбин, которые, соединяясь, дают фибрин, в который слой за слоем «впечатываются» сфероиды клеток. – поясняет профессор.
  
Уникальность метода Миронова заключается в использовании не непрерывного, а дискретного диспензирования клеток в виде специально подготовленных сфероидов. Сфероиды – это конгломераты клеток в виде шариков, помещенные в гидрогель. Объем клеток в сфероиде – более 75%, что повышает эффективность печати в сравнении с непрерывным диспензированием по технологии скаффолдов.
Сфероиды
Идея использования сфероидов появилась у профессора, когда один из его коллег, Бобби Томпсон, исследовал сердце эмбриона лягушки, которое имеет форму трубки. В рамках своего эксперимента он разрезал сердце на колечки и вывернул их наизнанку. Когда он взял кольца эмбрионального сердца и посадил на трубку, в течение нескольких дней они срослись и стали сокращаться как единая структура. Первыми экспериментами со сфероидами были опыты по созданию таких колечек из клеток и изучения их свойств. 

История подобных экспериментов по регенерации тканей насчитывает более 100 лет.

Профессор Миронов рассказывает: «Однажды вечером Профессор Густав Борн из Бреслау работал над препарированием головастика, и его жена подошла и позвала его ужинать. Он был раздосадован, но жена настаивала, и он оставил работу и смог к ней вернуться только на следующий день. Он был очень удивлен, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись. Другой исследователь, американский морской биолог Д-р Петер фон Вильсон который в 1907году опубликовал работу «О некоторых феноменах сращивания и регенерации губок». По существу, он разделил губки при помощи сита, и после этого начался процесс спонтанного сращивания в организм одной губки. Таким образом, фундаментальная биологическая основа сращивания тканей была открыта более чем 100 лет назад. Иными словами, развитие технологии печати органов, так же как и достижения регенеративной медицины в целом, не просто семантическая атака отдельных гениев, таких как Д-р Вильям Хазелтайн, но скорее прямой результат более чем столетнего опыта интенсивных базовых исследований, в первую очередь морских биологов, затем эволюционных биологов, молекулярных биологов, и теперь мы наблюдаем все возрастающий вклад биологов стволовых клеток. Регенеративная медицина, с этой точки зрения, есть синтез биологии стволовых клеток и эволюционной биологии».

В основе метода 3d-биопринтинга с использованием сфероидов лежит их слияние за счет силы поверхностного натяжения. Физические свойства сфероидов таковы, что, подобрав оптимальный матрикс (“biopaper”, то есть основу для печати), можно добиться идеального слияния сфероидов в требуемую форму. После печати орган сохраняет свои свойства и размеры благодаря тому, что на каждой клетке есть рецепторы, взаимодействующие между собой за счет электростатических сил. Второй механизм, удерживающий клетки вместе, действует, даже если они находятся на расстоянии друг от друга: поскольку каждая из них помещена в матрикс и взаимодействует с одной и той же молекулой коллагена, что и не дает им «расползаться».

Обеспечение 100% правильного слияния сфероидов в любых условиях – это еще одна сложная задача, которую решил профессор Миронов.
Lockyball
Мы используем принцип, лежащий в основе липучек Velcro, позаимствованный из живой природы. Совместно с учеными из Бразилии мы разработали некую «авоську» для сфероида, на оболочке которой есть петли, которые цепляются друг за друга по типу липучки. Мы назвали эти структуры «lockyball» – рассказывает профессор.

Самое сложное в 3d-биопринтинге – создать кровеносные сосуды – «оживить» орган для пересадки его пациенту. Например, в сосудистом дереве почки 9000 сосудистых сегментов – участков между ветвлениями. Само собой, вручную без компьютерных моделей воссоздать живой работающий орган с такой сложной сосудистой сетью невозможно. 


Создание крупных сегментов сосудистой системы с использованием сфероидов – это не фантазия. На сегодняшний день известно о проведении множества экспериментов (как с использованием принтеров, так и по другой технологии), которые дали положительные результаты. – говорит профессор.

Cосудистое дерево почки, напечатанное из пластика на 3d-принтере
Cосудистое дерево почки, напечатанное из пластика на 3d-принтере

Когда же ждать появления первых пациентов с напечатанными органами?

Сегодня получены реальные результаты в создании тканей органов с использованием биопринтеров и известны технологии, с помощью которым можно создавать сосуды различного диаметра. Согласно авторитетным источникам из США к 2030 году технология трехмерной биопечати органов будет доступна для пациентов.

Уже сейчас несколько компаний в Германии и США проводят операции с хондро-сферами и остео-сферами (воссоздают хрящевую и костную ткани). При этом из здорового хряща берутся хондроциты, выращиваются в сыворотке пациента, и вводятся в поврежденные области.

3D печать поможет восстанавливать межпозвонковые диски
3D печать поможет восстанавливать межпозвонковые диски
По словам профессора, на следующем этапе развития технологии можно будет создавать делать сухожилия, бронхи, кожу и т.д. Идея биопечати представляется очень эффективной и перспективной как для науки, так и для индустрии. 

Профессор обосновывает это на примере пациентов с заболеваниями почек:

«Само собой, сейчас есть разные методы поддержания жизни таких больных. Например, можно использовать диализ. В Америке это стоит в районе 75 тысяч долларов в год, то есть примерно 1 млн. долларов за 12 лет. Если мы сделаем почку, которая будет стоить 250 тысяч (столько сегодня стоит механическое сердце), и проведем больному операцию стоимостью еще 250 тысяч, и после пересадки не нужно будет использовать диализ и иммунодепрессанты, в общей сложности потребуется полмиллиона долларов. Расходы снизились на 50%. При этом все остаются в выигрыше – и больные, и государство, и производители. Это мощная индустрия. Только рынок почки сегодня – 25 млрд. долларов».

По мнению профессора Миронова будущее технологии биопечати – за крупными медицинскими центрами, некими «заводами» по производству органов, где полностью обеспечены условия как для изготовления, так и для трансплантации готовых органов. Профессор является руководителем компании 3D-bioprinting Solutions, которая предлагает решения для перехода от лабораторной фазы в индустриальную.

«Мы пришли к идее создания не просто биопринтера, а целой автоматизированной линейки по производству органов. Своеобразный «конвейер», который будет состоять из машины по производству стволовых клеток – биоматериала для печати, устройства для производства сфероидов из клеток, самого биопринтера, компьютера с ПО для создания «блюпринтов»-моделей печатаемых органов, и оборудования для созревания тканей». – Рассказывает профессор о своей компании.

БиопринтерТакже уже рассматривается возможность печати ряда органов не в лабораторных или промышленных условиях, а непосредственно в операционной на живом пациенте. 

Для того чтобы это было возможно, нужно не только создать подходящий биоматериал, но и учесть, что для печати в операционной необходимо специальное оборудование – роботизированную систему, которая должна быть достаточно компактной и маневренной, чтобы не занимать в помещении много места и отвечать требованиям точности.

«Мы уже сделали первого робота с помощью трехмерного прототипирования. Уже сейчас можно увидеть, какой будет машина будущего, с помощью которой можно будет печатать кожу, кость, хрящ и многое другое прямо на живых пациентах.» – Рассказывает профессор Миронов.
 
Таким образом, 3D-печать органов в недалеком будущем произведет новую медицинскую революцию. Эта технология позволит удешевить и упростить лечение тяжело больных, которым требуются органы для пересадки, а также откроет новые возможности для исследователей, например, в таких интересных областях, как эволюционная биология.

«Первая медицинская революция – открытие структуры ДНК, вторая – разгадка генома. Теперь у нас есть стволовые клетки, биоматериалы, компьютеры и 3d-моделирование, поэтому мы можем устроить новую медицинскую революцию – создать новые человеческие органы, не прибегая к пересадке или суррогатам», – делится профессор.
 
Россия также проявляет большой интерес к этой области науки. По приглашению Фонда поддержки молодых ученых «УМА» в партнерстве с компанией 3D bioprinting solutions организуются конференции и лекции для студентов и молодых ученых, фонд Сколково заинтересован в сотрудничестве с компанией, организованной Мироновым, активность ученых прослеживается и в российской научной литературе.

«В России есть многосторонний интерес к тому, чем я занимаюсь. Это и инвесторы, и венчурный капитал, и студенты, и ученые. Надеюсь, что это будет только развиваться», – подытожил профессор.
    

Скаффолд-технология (scaffold-technology) [англ. scaffold— леса, подмостки] — культивирование клеток на трехмерных подложках-носителях естественного или искусственного происхождения с целью пространственного формирования будущего клеточного органа или его фрагмента для трансплантата. 
  • КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биотехнологии, инновационные технологии, трехмерная печать органов, 3D Bioprinting Solutions