Владислав Парфенов, глава группы научного дивизиона госкорпорации «Росатом», рассказывает читателям «Русского пионера» про вещь, казалось бы, невероятную, то есть про биофабрикацию, про трехмерную печать человеческих органов. Тут, похоже, люди покушаются на самое святое, божеское, и не меньше. И как покушаются! Любо-дорого посмотреть. И почитать.
Само понятие биопечати не новое, еще в конце прошлого века ученые пробовали получить фрагменты кожи при помощи экструзионной печати. Это самый простой способ, при помощи которого можно восполнить какие-то кожные дефекты. Например, сегодня ученые уже могут «печатать» ухо, которое внешне выглядит почти натурально. И это отличный результат! Но его все еще нельзя считать полноценной заменой органу. Есть и другие способы, но все они требуют каких-то «поддерживающих» структур с применением синтетических материалов. Поэтому это не всегда может быть жизнеспособной историей: во‑первых, появляются токсические эффекты, во-вторых, поддерживающие материалы потом надо как-то удалять, потому что ткань человека все-таки не содержит неорганических материалов. В связи с этим у ученых и родилась идея создавать новые ткани без скаффолдов, то есть без поддерживающих каркасов. Но для этого потребовались условия левитации.
Мы с коллегами начали осваивать это направление в 2015 году в первой в России частной компании, развивающей технологии трехмерной биопечати. Изучая литературу, поняли, что многое в этой области уже известно. Например, в Стэнфорде профессор Уткан занимался магнитной сборкой, правда не сфероидов (трехмерных многоклеточных систем), а отдельных клеток, то есть это микроуровень. Также были эксперименты в космосе: на станции «Мир» в магнитных ловушках собирали графит, к примеру. Мы пошли дальше: собрали установку с уникальными параметрами и первыми в мире совместили магнитные и акустические поля. В результате сумели продемонстрировать на тканевых сфероидах создание более сложных структур на макроуровне. Сегодня мы единственные в мире, кто работает с лазерно-магнитоакустической технологией (проект ЛАМАК).
Интересно отметить, что первые наши эксперименты проводились на борту российского сегмента МКС. Вторая наша экспериментальная база располагалась в Нидерландах на магните Биттера. Локации были выбраны не случайно. Нам важно было компенсировать силы гравитации (сильное магнитное поле) или использовать условия микрогравитации (космос), чтобы убрать токсичность используемого вещества (при ослабленном поле оно токсично, при высоком — нет). Кстати, здесь же, в Нидерландах, на этом магните впервые левитировал лягушку советский физик, работающий в Англии, Андрей Константинович Гейм (лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года). Правда, за научный эксперимент с лягушкой он получил Шнобелевскую премию.
Но к чему я это вспомнил. Коллег интересовала технология биопечати сложных тканей, но в итоге технологическую основу разработали у нас в стране. Кстати, когда мы начали тестировать в Нидерландах нашу разработку, один из профессоров, работающий в Маастрихтском институте, подал грант по этому же направлению. По сути, они стали нашими последователями и предлагали нашей команде переехать. Однако я решил развивать эти технологии в России.
Сегодня мы пытаемся приблизиться к золотому стандарту — использованию аутологичной ткани, которая не будет вызывать иммунного ответа и сможет лучше приживаться. Другими словами, сможем формировать ткань из собственных клеток человека. Сейчас наше внимание сосредоточено на сосудах. Это важный этап, который в дальнейшем позволит перейти к созданию макроорганов с нужной формой и функцией, например щитовидной железы, печени, почки и др. Мы учимся «выращивать» малые сосуды, чтобы в дальнейшем перейти к «выращиванию» сосудистой сети и затем уже — к полноценно функционирующему органу. Существующие подходы в области биопечати, к сожалению, эти проблемы не решают. Да, ученые разрабатывают технологии культивирования клеток, создают какие-то новые решения, но это не орган, который пересаживается человеку.
Как я уже говорил ранее, сейчас мы учимся «выращивать» малые сосуды. Уже создали сосуд длиной два сантиметра, в этом году планируем «дорастить» до десяти сантиметров и в конце года провести доклинические испытания. И возможно, года через два мы сможем получить разрешение на клиническую трансплантацию. Надеюсь, что после 2030-х годов сможем перейти уже к технологиям печати органов. Первыми, скорее всего, будут эндокринные органы, затем более сложные, например почки.
Почему я считаю, что за биофабрикацией — будущее медицины? Неоспоримый плюс тканей, созданных таким образом, — решение проблемы отторжения, которая остается одним из основных ограничений успешности трансплантации органов. Мы используем собственные клетки пациента и исключаем инородный материал, минимизируя тем самым иммунную реакцию организма. Это принципиально новый подход, на мой взгляд. Конечно, чтобы ткань (орган) «дозрела» (научилась всем нужным функциям), ее нужно поместить в биореактор ориентировочно на два месяца. Но зато в результате мы получаем функционирующий орган, который способен расти вместе с организмом. Таким образом, не требуется повторных операций. Так что наши технологии могут решить очень важную задачу в трансплантологии органов.
Есть и альтернативный подход, когда биопечать происходит прямо в человеке, в этом случае биореактором выступает сам пациент. Это тоже вполне перспективный метод правда не сегодняшнего дня, а более далекого будущего. Хотя для плоских дефектов типа дефектов кожи это уже реальная история. В конце прошлого года в Главном военном клиническом госпитале имени академика Н. Н. Бурденко провели первую в мире операцию с использованием биопринтера, состоящего из роборуки, системы биопечати и компьютерного зрения. Устройство и технологию разработали ученые НИТУ МИСИС и 3D Bioprinting Solutions при участии магистрантов передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии». Индустриальным партнером этой школы, кстати, выступает научный дивизион «Росатома». Но, повторюсь, это еще не печать сложных органов. Фильм «Пятый элемент» пока еще остается фантастикой.
Если рассматривать наши успехи, и тут я говорю обо всех специалистах в стране, которые занимаются биопечатью, в мировом масштабе Россия ничуть не уступает другим странам. По каким-то отдельным направлениям даже опережает, например мы первыми в мире отправили биопринтер в космос, где получилось напечатать хрящевую ткань человека и щитовидную железу грызуна.
В Россию вернулся родоначальник биопечати профессор Владимир Александрович Миронов, который долгое время работал за границей. Во время симпозиума по случаю его 70-летия было сказано, что, например, в Европе в целом больше предпочитают подход, когда каждый отвечает за какую-то локальную задачу. А российские ученые мыслят амбициозно, категориями космоса.
Мне нравится работать на стыке наук биологии и инженерии. Это возможность не просто создавать новые конструкционные материалы, а решать сложные задачи с органическими материалами. Даже, наверное, космос не так завораживает, как органика с ее сложными молекулярными механизмами. Думаю, этот мир внутри органических структур когда-нибудь позволит человечеству перейти к совершенно иной жизни. Когда-нибудь, возможно, мы создадим компьютеры по принципу устройства человеческого мозга или придумаем принципиально новые способы выработки электроэнергии. Другими словами, будем в абсолютной гармонии с природой.
Колонка опубликована в журнале "Русский пионер" №122. Все точки распространения в разделе "Журнальный киоск".