Направление биофабрикации (биопечати) представляет собой революционный шаг в медицине, целью которого является создание функциональных тканей и органов для трансплантации. При этом основная задача — это разработка инновационных тканеинженерных методов для трехмерного формирования клеточного материала, включая важнейшее образование кровеносных сосудов, необходимых для поддержания жизни клеток.
Учёные Росатома разрабатывают подобные технологии биологической 3D-печати. Экспертам уже удалось вырастить кровеносный сосуд с помощью биопринтера. Прорывная разработка решает проблему отторжения пересаженных органов. Как устроена технология и какие у нее перспективы, рассказываем в статье.
Прорыв в трансплантологии
Новейшие разработки в сфере аддитивных технологий научный дивизиона Росатома представил на Форуме будущих технологий (ссылка) в феврале 2024 года. Руководитель научного дивизиона Госкорпорации «Росатом» Павел Зайцев продемонстрировал Президенту России Владимиру Путину приборы, позволяющие уже сегодня выращивать функциональные кровеносные сосуды малого диаметра из биологического материала пациента. Так, с помощью магнитоакустического биопринтера и биореактора учёные вырастили сосуд длиной 2 см. В планах – выращивать органы человека из его собственных клеток.
Такой подход поможет решить проблему отторжения трансплантатов, которая на сегодняшний день остается одним из основных ограничений успешности трансплантации органов. При имплантации чужеродного органа в организме пациента возникает риск серьезных осложнений от иммунного ответа, что может привести к отторжению трансплантата.
Использование собственных клеток пациента при биопечати исключает реакцию «трансплантат против хозяина» и не вызовет иммунного ответа организма на имплантат.
Биофабрикация – процесс искусственного конструирования и выращивания вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту. Чаще всего для этого используется технология биопечати.
Биопечать в России
Научные институты и частные организации активно развивают технологию биопечати в России. Так, учёные Росатома проводят свои исследования совместно с рядом партнеров, в их числе, 3D Bioprinting Solutions, МИСИС, медицинские учреждения и так далее.
«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)», – отмечает директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Сенатов.
Важность развития нового направления биофабрикации отметил соучредитель, управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани:
«С Госкорпорацией «Росатом» ведутся разработки в области даже не столько импортозамещающих, сколько импортоопережающих технологий — к примеру, разработка так называемых бесскаффолдных (или бескаркасных) технологий, в частности магнитной и акустической систем биофабрикации. При данном подходе управление клеточным материалом происходит за счет различного рода волн, и клетки образуют тканеинженерные конструкты без дополнительных химических поддержек. Это крайне новое направление в области создания тканеинженерных конструкций, требующее как специального оборудования и инфраструктурных решений, так и подготовки высококвалифицированных кадров, которых мы также готовим в рамках совместной деятельности».
Специалисты прорывных направлений
Разработкой технологии биофабрикации в Росатоме 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. Здесь готовят специалистов по нескольким прорывным направлениям. В процессе обучения студенты не только осваивают передовые технологии, но и участвуют в создании прорывных технологических решений будущего, которые повысят качество жизни людей.
«В сотрудничестве с Росатомом мы развиваем направление магнитоакустической биофабрикации как одной из важнейших технологий будущего. А развитие технологий «послезавтрашнего» дня невозможно без подготовки кадров. В рамках Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» (ПИШ МАСТ) в МИСИС совместно с партнерами с 2023 года ведем подготовку биомедицинских инженеров, способных разрабатывать новые устройства для биопечати и биофабрикации», – уточнил директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Сенатов.
В ходе работы над технологией биопечати молодые ученые ГНЦ РФ ТРИНИТИ и студенты ПИШ МАСТ изготавливают из клеточных линий тканевые сфероиды – биочернила для биопечати, проводят исследования и анализируют их биомеханические свойства, участвуют в создании лабораторного оборудования для формирования клеточного эквивалента сосудов, проектируют биопринтеры нового поколения.
От сосуда до выращивания органов
Для создания сосудов малых диаметров учёные Росатома применяют магнитоакустический биопринтер и биорекатор. Процесс включает три этапа:
- Из клеток пациента наращивается биоматериал.
- Клеточному материалу придается нужная форма и в результате процессов клеточного слияния образуется единая ткань.
- Чтобы сосуд «научился» правильно работать и выполнять свое функциональное назначение, его помещают в биореактор для дозревания под воздействием физического, гормонального и другого характера.
Про перспективность технологии рассказал руководитель направления лаборатории аддитивных технологий и биоинжиниринга ГНЦ РФ ТРИНИТИ Владислав Парфенов:
«Технология бесконтактного формирования живых тканей из клеток пациентов, основанная на использовании физических полей, уникальна. Она не требует использования дополнительных материалов, таких как поддержки или скаффолды, что обеспечивает высокую биосовместимость и свойства, сравнимые с аутологичной тканью.
Интересной особенностью этого метода является мгновенное формирование структур, что важно для обеспечения жизнеспособности клеток. Основные исследования в этой области были проведены под руководством академика Фортова В.Е. и академика Петрова О.Ф. еще на орбитальной пилотируемой станции «Мир» в рамках эксперимента «Кулоновский кристалл». В результате удалось создать кластеры из неорганического материала в условиях магнитной ловушки.
С 2018 года исследования уже с использованием клеточного материала проводятся на борту российского сегмента Международной космической станции в рамках эксперимента «Магнитный биопринтер». В настоящее время отработка биопечати в условиях микрогравитации позволила перейти к ее технологической реализации на Земле с использованием сильных магнитных полей.
Одной из перспектив этого подхода является 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».
К 2030-м годам ученые планируют перейти к биофабрикации более сложных органов, таких как щитовидная железа, почка, печень и другие. Использование технологии станет прорывом в трансплантологии – позволит сократить лист ожидания нуждающихся в пересадке органов и помочь вернуться к нормальной жизни более 2 тыс. человек ежегодно.
***
Присоединяйтесь к команде научного блока Росатома, актуальные вакансии – на карьерном портале.
Подписывайтесь на канал и следите за новостями науки.