Биофабрикация — революционный шаг в медицине, поскольку подразумевает искусственное конструирование и выращивание вне организма человека живых функциональных тканей и органов для последующей трансплантации. Чаще всего для этого применяют технологию биопечати. Главная задача — разработать инновационные инженерные методы для трехмерного формирования клеточного материала, включая кровеносные сосуды, необходимые для поддержания жизни клеток. Ученые «Росатома» работают над такими технологиями, и им уже удалось вырастить кровеносный сосуд с помощью биопринтера. Эта разработка может решить проблему отторжения пересаженных органов. Рассказываем, как устроена технология и какие у нее перспективы.
Последние разработки в сфере биопечати ученые «Росатома» представили на Форуме будущих технологий в феврале 2024 года. Руководитель научного дивизиона госкорпорации Павел Зайцев продемонстрировал президенту Владимиру Путину приборы, с помощью которых сегодня можно вырастить функциональные кровеносные сосуды малого диаметра из биологического материала пациента. Например, с помощью магнитоакустического биопринтера и биореактора ученые создали сосуд длиной два сантиметра. В перспективе хотят выращивать человеческие органы из собственных клеток.
Подобный подход поможет решить проблему отторжения трансплантатов, а ведь именно она остается одним из основных ограничений успешности трансплантации органов. Риск серьезных осложнений возникает вследствие иммунного ответа, что может привести к отторжению трансплантата. Использование собственных клеток не вызовет иммунного ответа организма — в этом огромный плюс.
Ученые «Росатома» проводят исследования совместно с компанией 3D Bioprinting Solutions, МИСИС и различными медицинскими учреждениями.
«Россия в области биопечати находится в числе мировых лидеров: в 2015 году российская компания 3D Bioprinting Solutions напечатала первый в мире функциональный орган — щитовидную железу, а в 2018-м провела первую магнитную биопечать на борту МКС. В 2023 году МИСИС, 3D Bioprinting Solutions и госпиталь Бурденко провели первую в мире биопечать сразу на пациенте (биопечать in situ)», — рассказал директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Сенатов.
Ученые ведут разработки даже не столько с целью заменить импортную продукцию, сколько опередить зарубежные технологии. Речь идет о создании, например, так называемых бесскаффолдных (бескаркасных) технологий, в частности магнитной и акустической систем биофабрикации. Управление клеточным материалом при таком подходе происходит за счет различного рода волн, и клетки образуют тканевые инженерные конструкции без дополнительных химических поддержек. Это новейшее направление, требующее специального оборудования, инфраструктуры и подготовки высококвалифицированных кадров.
В «Росатоме» разработкой технологии биофабрикации занимается Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ») совместно со студентами магистерской программы по биомедицинской инженерии и биофабрикации НИТУ МИСИС. Это новое направление передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» (ПИШ МАСТ), которая действует на площадке университета при поддержке «Росатома». Там готовят специалистов по нескольким прорывным направлениям. Студенты не только осваивают новейшие технологии, но и участвуют в создании прорывных технологических решений будущего.
Молодые ученые и студенты изготавливают из клеток так называемые тканевые сфероиды (биочернила для биопечати), проводят исследования и анализируют их биомеханические свойства, участвуют в создании лабораторного оборудования для формирования клеточного аналога сосудов, а еще разрабатывают биопринтеры нового поколения.
Чтобы вырастить сосуды малых диаметров, ученые применяют магнитоакустический биопринтер и биореактор. Процесс проходит три этапа. В первую очередь из клеток пациента наращивается биоматериал. Затем ему придают нужную форму, и в результате процессов клеточного слияния образуется единая ткань. Чтобы «научить» сосуд правильно работать и выполнять свои функции, на третьем этапе его помещают в биореактор для «дозревания».
Руководитель направления лаборатории аддитивных технологий и биоинжиниринга ГНЦ РФ ТРИНИТИ Владислав Парфенов рассказал, что технология бесконтактного формирования живых тканей из клеток пациентов, основанная на использовании физических полей, уникальна. Ведь для этого не нужно дополнительных материалов, например скаффолдов. Это обеспечивает высокую биосовместимость и свойства, сравнимые с собственной тканью.
Интересная особенность метода — мгновенное формирование структур, что важно для обеспечения жизнеспособности клеток. Главные исследования в этой области провели в свое время еще на орбитальной станции «Мир», во время эксперимента «Кулоновский кристалл». Так удалось создать кластеры из неорганического материала в условиях магнитной ловушки.
«С 2018 года исследования уже с использованием клеточного материала проводят на борту российского сегмента МКС в рамках эксперимента „Магнитный биопринтер“. Сегодня отработка биопечати в условиях микрогравитации позволила перейти к ее технологической реализации на Земле с использованием сильных магнитных полей. Одна из перспектив этого подхода — возможность перехода от биофабрикации отдельных функциональных органоидов к созданию полноценных органов путем формирования кровеносного сосудистого дерева. Это открывает новые возможности в области регенеративной медицины и может значительно улучшить качество жизни пациентов, нуждающихся в трансплантации органов», — добавил Владислав Парфенов.
В планах ученых — к 2030 годам перейти к биофабрикации еще более сложных органов: щитовидной железы, почек, печени. Подобные технологии, по их мнению, станут прорывом в трансплантологии, поскольку позволят сократить число нуждающихся в пересадке органов и помогут вернуться к нормальной жизни более чем двум тысячам человек каждый год.