Какие технологии используются для печати живых органов, из чего состоят биочернила, как превратить биопринтинг в полноценную индустрию и какие знания нужны, чтобы работать в этой области, рассказала нам аспирантка Сколтеха и генеральный директор стартапа Spheroid Revolution Кэтрин Вилински-Мазур.
Биопринтинг — одна из разновидностей трехмерной печати. Основная её идея достаточно проста — сформировать физический объект при помощи любого способа точной доставки вещества согласно построенной на компьютере 3D-модели. Остальное — детали.
Истоки 3D биопринтинга уходят корнями в 1839 год, когда была формализована клеточная теория. Следующие важные этапы для этой отрасли произошли уже во второй половине XX века: в 1978 были открыты стволовые клетки, а в 80-х появились первые персональные компьютеры. В 1984 году Чарльз Халл предложил первый принтер, печатающий по стереолитографической технологии (SLA). В 1996 была открыта способность трёхмерных культур клеток к самоорганизации и образованию новых структур. Впоследствии именно это свойство легло в основу технологии биопечати тканевыми сфероидами. В 2000 году трехмерная печать стала использоваться для медицинских целей — начали создаваться импланты и скаффолды. И, наконец, в 2003 Томас Боланд создал биопринтер.
Самые распространенные технологии биопечати — FDM и SLA; они аналогичны FDM и SLA для пластика. Для трехмерной печати пластиком по технологии FDM (Fused Deposition Modelling) используются нити или маленькие кусочки (pellet 3D printing), а вещество доставляется при помощи экструдера, позиционируемого электродвигателями по осям X, Y и Z. Нагревая пластик до температуры плавления и выдавливая его в нужных координатах, формируют физический объект. В основе технологии SLA стоит уже фоторезист: принтер управляется одним электродвигателем, обеспечивающим движение по оси Z, а физический объект формируется послойным засвечиванием фоторезиста в нужных точках.
В отличие от обычной трехмерной печати, в биопринтинге в качестве материала используются живые клетки, полученные из клеточной культуры. К тому же в технологии FDM применяется шприц, выдавливающий биочернила в нужных координатах, а в SLA — биоразлагаемый фотополимер. Биочернила представляют собой смесь клеток (либо в виде отдельных клеток, либо в виде трехмерной клеточной культуры — сфероидов) и загустителя (вязкого гидрогеля, например, на базе альгината натрия или агарозы). Клетки сами по себе не могут формировать устойчивые сложные трехмерные структуры (пока не делятся), поэтому во время печати необходимо использовать гидрогель, чтобы биоконструкт держал форму.
Биопринтинг состоит из трёх основных этапов: пре-процессинг, процессинг и пост-процессинг. На первом этапе создаётся цифровая модель, согласно которой будет производиться биопечать. Цифровая модель — своего рода чертёж для производства детали — без неё печать невозможна. Также во время пре-процессинга подготавливается биоматериал: гидрогель, тканевые сфероиды (конгломераты из клеток), в случае если мы выбираем печать сфероидами. Сам процесс биопечати происходит послойно. Слой за слоем биопринтер экструдирует биочернила, а клетки сливаются — для них этот процесс естественен. На последнем этапе биоконструкт помещается в биореактор для вызревания — по той же логике лопатки, произведенные на керамическом 3D принтере, после печати мы помещаем в печь для затвердевания.
Геометрические данные о необходимой модели часто берутся из сканов КТ и МРТ. После мы выбираем биоматериал (тип клеток, гидрогеля). Однако иногда у пациентов попросту нет КТ/МРТ снимков, поэтому моделирование с нуля очень важно для специализированного ПО для биопринтинга.
Сейчас биопечать — это быстроразвивающаяся, но всё ещё экспериментальная область активных научных исследований. На 2022 год коммерческих применений трёхмерной биопечати нет. Основные проблемы — выживание клеток и построение кровеносных сосудов. Как надёжно обеспечить выживание клеток в процессе биопечати и созревания биоконструкта и каким образом сделать тонкие сосуды для кровообращения напечатанного органа — эти вопросы нам только предстоит решить.
Стартап Spheroid Revolution занимается разработкой оборудования и программного обеспечения для трёхмерной биопечати. ПО направлено на моделирование и симуляцию ключевых процессов построения биопечатных конструктов (тканевых систем и органов) с использованием разрабатываемого оборудования. Наша задача — повышение эффективности и масштабирование технологии 3D-биопечати.
Для работы в области биопринтинга необходимы мультидисциплинарные знания: клеточная биология, вычислительная физика, компьютерное моделирование, инженерия. Чтобы успешно решать задачи, в одной лаборатории должна работать команда с разделенными зонами ответственности — все необходимые навыки слишком обширны, чтобы полагаться только на одну специальность. Биолог, отлично понимающий все взаимосвязи и процессы в своей области, может абсолютно не понимать, как описать эти процессы в виде математической модели и софта. И это нормально. Главное работать вместе и прислушиваться ко мнению коллеги, эксперта в своей области.
В нашем проекте работают 14 человек. Большая часть команды — исследователи, студенты и аспиранты Сколтеха с богатым опытом в области вычислительной физики, искусственного интеллекта и биотехнологий. Решения компании направлены для использования в здравоохранении, персонализированной медицине и научных исследованиях.