Печать по живому Репортаж из центра биомедицинской инженерии

Старинное здание Горного института находится возле нынешней станции московского метро «Октябрьская». Оно прекрасно знакомо любителям рок-музыки: в нулевые здесь работал популярный клуб «Точка». Сегодня корпус вместе с самим институтом перешел под крыло Московского института стали и сплавов (НИТУ МИСиС). Бывшая сцена перестроена под медиацентр для проведения конференций и массовых мероприятий, а за толстыми стенами соседних помещений разместились научные лаборатории.

«МИСиС — ​один из участников государственной программы „Приоритет 2030“. Частью этой работы должно стать создание готовых к внедрению инновационных продуктов, — ​говорит руководитель центра биомедицинской инженерии МИСиС Федор Сенатов, проводя нас запутанными коридорами. — ​Поэтому мы организовали консорциум, куда вошли ведущие медицинские организации, компании-производители медицинской техники, перспективные стартапы». Одним из таких стартапов стал 3D Bioprinting Solutions (3dbio), где отрабатывают технологии биопечати.

IN POSSE

(«Потенциально», «в будущем» (лат.)

Человеческое тело обладает замечательными способностями к регенерации. Большинство наших клеток заменяются новыми за 7–10 лет, раны на коже заживают, переломы срастаются, а печень может восстановиться, даже потеряв 2/3 своей массы. Однако отрастить себе новую почку, роговицу или хотя бы трахею мы неспособны. Больные, которым требуется новый орган, вынуждены подолгу ожидать подходящего донора, а после тяжелой операции еще и принимать иммунодепрессанты, чтобы организм не отторгал чужеродные ткани.

Биопечать считается едва ли не самым перспективным подходом к решению этих проблем и спасению множества жизней. В будущем медики смогут отбирать у пациента образцы клеток, превращать их в стволовые и с помощью биопринтера формировать из них сложные конструкции, «зародыши», из которых можно вырастить полноценные органы для пересадки. И все это не дожидаясь донора и без какой-либо угрозы отторжения иммунной системой больного. Но для начала надо научиться печатать клетками, не убивая их и создавая заранее заданные сложные структуры.

Для получения при печати нужной формы клетки заранее смешиваются с гидрогелем — ​вязким, полным влаги полимером. В 3dbio для этой цели разработан специальный препарат Viscol на основе свиного коллагена, очищенного от собственных клеток животного. В прохладной (около 4 °С) температуре он остается полужидким, как зубная паста. Но как только после печати Viscol попадает в комнатные условия, то быстро нагревается, полимеризуется и схватывается, образуя упругую опору, которая быстро обрастает клетками.

«К сожалению, просто замешать клетки в гид­рогель недостаточно. Их плотность оказывается слишком низкой, они не могут нормально делиться и расти, — ​объясняет инженер МИСиС Александр Левин. — ​А если увеличить концентрацию клеток, то на выходе из сопла биопринтера возникает пробка, и они гибнут из-за высокого давления». Поэтому в 3dbio разработали технологию применения тканевых сфероидов, похожую на блочное строительство зданий. Биологи заранее готовят «блоки» из нескольких сотен или даже тысяч клеток. Смешанные с гидрогелем сфероиды по одному проталкиваются сквозь сопло биопринтера и подаются на рабочую поверхность, где тут же закрепляются и начинают рост.

IN VITRO  

«Под стеклом», «в пробирке» (лат.)

Биопринтер находится за стеклом: при работе с реальными клетками внутри поддерживается строгая стерильность, и все поверхности «прожигаются» ультрафиолетом. Fabion заметно больше обычных 3D-принтеров — ​не с микроволновку, а с небольшой холодильник, если считать еще и блок электроники, которая контролирует разные компоненты системы. «Чем хорош этот принтер? У него много диспенсеров, которые можно заряжать разными материалами, чтобы смешивать и использовать их на разных этапах печати, — ​объясняет Александр Левин. — ​Кроме того, есть обратная связь: компьютер следит за движениями каретки и точным положением сопла. Это позволяет отрабатывать небольшие сбои в работе».

Двигателей в принтере целых 15, они контролируют движения диспенсеров и стола с точностью до нескольких микронов, что сравнимо с размерами отдельных клеток. На самом столике лежит небольшая фигурка, похожая на пару крошечных и плоских легких. «Это увеличенная в 10 раз модель щитовидной железы мыши, мы на ней тренируемся, — ​показывает Александр. — ​В 2021 году мы распечатали ее из клеток в натуральную величину. Эксперименты проводили так: железу у мыши удалили и убедились, что выработка тироксина, гормона щитовидки, упала до нуля. Затем распечатали и пересадили новую, после чего уровень тироксина в организме снова поднялся. Это доказало, что мы получили полнофункциональный орган».

Fabion был создан в 2014 году, спроектировали его инженеры 3dbio, а комплектующие сделали партнеры из Австрии. Сейчас в компании заканчивают работу над новой моделью, теперь почти полностью из отечественных компонентов, лишь микрочипы и электроприводы в нем останутся зарубежными, китайскими. А вот второй биопринтер, Organaut, сразу собирали у себя, и тогда же, в 2018 году, его испытали на борту Международной космической станции (МКС). В отличие от Fabion он использует технологии не послойной (экструзионной), а формативной биопечати.

«Проблема в том, что слишком сложные и большие конструкции из гидрогеля могут разрушаться под собственным весом, — ​объясняет Александр Левин. — ​Собирать их можно с помощью формативной печати, действуя с нескольких направлений одновременно». Для этого в смесь добавляют частицы тяжелого металла гадолиния, которые движутся под действием внешнего магнитного поля, увлекая с собой и клетки. Концентрация таких частиц должна быть довольно велика, что гибельно сказывается на клетках. Но в космосе, где притяжение практически не мешает течению геля, можно обойтись небольшим и нетоксичным количеством гадолиния. Это позволило провести эксперименты по распечатыванию и хрящевой ткани, и щитовидной железы прямо на орбите.

Это не значит, что в будущем органы потребуется печатать в космосе, а потом срочно доставлять на Землю. Когда технология будет отработана, ее можно будет воспроизвести с использованием сверхпроводящих магнитов, подобных тем, что используются в аппаратах МРТ. Их поле настолько сильно, что сфероиды из клеток будут левитировать даже с небольшим количеством магнитных частиц. «Мы уже умеем собирать „снежок“ из клеток, а затем осторожно манипулировать им с помощью слабых акустических волн, — ​добавляет Александр. — ​Меняя конфигурацию акустического поля, можно получить кольцо, столбик, трубку и даже более сложные структуры».

IN VIVO  

«В живом», «внутри организма» (лат.)

«А вот здесь лежали минипиги», — ​продолжает Александр Левин, подходя к столу, на котором смонтирован массивный промышленный манипулятор KUKA. Биопринтер на основе этой умной руки позволяет работать без инкубатора для выращивания распечатанной заготовки органа. В этой роли выступает само тело пациента: клетки точно наносятся прямо в нужный участок, и затем они растут в естественных для себя условиях. В будущем это позволит реконструировать органы через хирургические разрезы в теле человека. Но прежде технологию требуется отработать на более простых задачах и пока на животных.

Для этого в лаборатории была создана система, работающая по принципу plug-and-print. Диспенсер со смесью коллагена и клеток можно закрепить на любом подходящем устройстве и произвести печать на поврежденном участке кожи. Манипулятор KUKA лишь перемещает его в пространстве, следуя заданной программе. При этом лазерный датчик расстояния позволяет точно компенсировать колебания рабочей поверхности, возникающие из-за дыхания анестезированного животного. «Опыты по восстановлению полнослойного поражения кожи мы проводили в МНИИ онкологии имени Герцена, — ​рассказывает Александр. — ​Повреждения были почти критическими: у мышей вырезали фрагменты диаметром 25 мм, а у минипигов — ​по 5 см».

Обездвиженных животных фиксировали на столе и сканировали, определяя пространство для работы биопринтера. Затем в диспенсер помещали холодный коллаген с клетками кожи, и принтер наносил их на рану густой сеткой. «Минипигов, конечно, жалко, но через три-четыре недели раны у них уже заживали, — ​добавляет Александр Левин. — ​Все работает достаточно просто и надежно: если бы понадобилось, я б и сам запросто лег под такой принтер». По его словам, система уже достаточно отработана, и дело лишь за клиническими испытаниями и лицензированием для использования в медицинских учреждениях.

Ну а пока биологи и инженеры в старинном здании Горного института учатся работать с другими, более сложными видами клеток и тканей. Для создания полноценных органов нужно решить проблему их иннервации и васкуляризации — ​заставить нервы и сосуды правильным образом прорастать через их трехмерную структуру. А мышцы и хрящи требуют постоянной стимуляции, упражнений, иначе они останутся бесформенной массой. «Трудно сказать, когда мы придем к печати полноценных органов и сложных, многокомпонентных тканей, — ​говорит Александр. — ​Но прогресс виден буквально невооруженным глазом: сейчас мы можем делать то, что еще пять лет было недоступным».

Кое-где биопечать можно использовать уже сегодня. В ресторане братьев Березуцких Twins Garden, который в 2021 году получил сразу две мишленовских звезды, работает принтер 3dbio, распечатывающий деликатесные блюда из суспензии на основе растительной массы. Более сложные системы полезны для проведения исследований и клинических испытаний. И пусть несколько мышей и минипигов пострадали, зато будет спасено множество других животных. «Если нам нужно исследовать ткань, например кожи, можно никого не убивать, а распечатать и работать сколько душе угодно, — ​заключает Александр Левин. — ​Это этичнее, да и дешевле, чем использовать живых существ».

Александр Левин, ИНЖЕНЕР НИТУ «МИСИС», СПЕЦИАЛИСТ ПО МЕХАТРОНИКЕ И РОБОТОТЕХНИКЕ

В 2014-м Fabion вошел в глобальный рейтинг десяти самых совершенных биопринтеров. Сами можете оценить уровень работы: в мире созданием таких установок заняты сотни компаний и стартапов, у нас в России их можно пересчитать по пальцам одной руки. И все равно наша разработка оказалась в десятке лучших. Это действительно очень удачная система, позволяющая вести печать разными способами, слой за слоем формируя нужную структуру. Если нужно, мы можем даже распылить гель на поверхность, как из аэрографа, и тут же зафиксировать его, облучив ультрафиолетом.