Наука9 июня 2021 21:20

Биопринтинг: Когда появятся «напечатанные» человеческие органы, пригодные для пересадки

О перспективах биопринтинга рассказывает Юсеф Хесуани, соучредитель и управляющий партнер компании 3D Bioprinting Solutions, наиболее продвинутой в этой области
Распечатать ухо? Пожалуйста. Вам побольше или поменьше?

Распечатать ухо? Пожалуйста. Вам побольше или поменьше?

Фильм «Пятый элемент» местами уже не фантастика

Что из себя представляет этот самый биопринтинг, в принципе известно. Спасибо фильму «Пятый элемент» – блокбастеру 1996 года с Брюсом Уиллисом и Милой Йовович. Её-то как раз и распечатали на 3D-принтере - биопритере. Воссоздали по заранее заданной программе, составленной на основе анализа сохранившейся ДНК.

Лилу - Пятый элемент - распечатывают на принтере.

Лилу - Пятый элемент - распечатывают на принтере.

Копия Лилу почти готова.

Копия Лилу почти готова.

Четверть века назад процесс воссоздания выглядел совсем уж фантастическим. Но теперь обрел некоторые реальные черты.

Технологии 3D-печати биологическими материалами развиваются по всему миру.

В России в том числе. Ученые манипулируют живыми клетками, формируя из них органы и ткани. Не трудно понять с какой целью. Для того, чтобы когда-нибудь «готовые изделия» можно было бы пересаживать людям взамен утраченных, поврежденных или пришедших в негодность в результате болезней. Ведь «копии» избавили бы нуждающихся от необходимости искать донорские органы, ожидание которых может затянуться на годы.

Где-то дело дошло уже и до клинических экспериментов. Медики из США и Арабских Эмиратов заплатку из лоскута живой распечатанной кожи недавно поставили человеку – впервые в мире.

В Китае начали печатать уши из хрящевой ткани и пересаживать детям с врожденной патологией.

Основные же эксперименты, по словам Юсефа Хесуани, пока идут на животных. Или вообще без реципиентов. Что называется, впрок. Исследователи просто отрабатывают в лабораториях те или иные технологии 3D-печати живых тканей, которые со временем позволили бы распечатывать и сами органы целиком.

Юсеф Хесуани - оптимист.

Юсеф Хесуани - оптимист.

Живые клетки вместо чернил

Плодотворная дебютная идея, которая, впрочем, может иметь разные технические воплощения, такова: взять клетки человека, размножить их, зарядить в принтер, наподобие чернил, и печатать ими, формируя слой за слоем тот или иной орган. «Чернилами» для сердца таким образом будут клетки сердца, для печени и почек – соответственно, клетки печени и почек, для сосудов – сосудистые, ну, и так далее. Главное, что они будут своими - то есть клетками того человека, которому, собственно, и предназначается распечатываемый орган. Это предотвратит его отторжение.

- Тут сама природа идет нам навстречу, - говорит ученый. – Живые клетки, которыми мы печатаем, сформированы в сферы порядка 200 микрон в диаметре – это примерно 3 диаметра человеческого волоса. Клетки в этих сферах сами сливаются друг с дружкой, взаимодействуют, синтезируют белки, факторы роста. То есть, сами превращаются в живую ткань, размножаясь и социализируясь. Сердечная ткань, к примеру, начинает даже «биться».

Сферы из живых клеток - "чернила" Биопринтера.

Сферы из живых клеток - "чернила" Биопринтера.

«Чернила» - весьма аморфный материал. Эдакое желе. Желе потом «застынет», но прежде его надо как-то поддержать, чтобы не расплылось, а сохранило нужную форму. Например, форму сердца.

Конечно, можно использовать некие опорные элементы – каркасы, подложки. Но есть способ похитрее - левитация. В 3D Bioprinting Solutions клетки – эти самые живые шарики – удерживают в сильном магнитном поле.

В свое время наш соотечественник Андрей Гейм получил потешную Шнобелевскую премию за подобные фокусы – у него левитировали, то есть, зависали в воздухе, сосиски и лягушки. Тогда в 2000 году эти эксперименты казались смешными и бесполезными. А вот пригодились. И стали основой многообещающей технологии.

Напомню, Андрей Гейм вместе с другим нашим соотечественником Константином Новоселовым выбились в итоге и в Нобелевские лауреаты. В 2010 году ученым присудили премию по физике, оценив удивительный материал графен, который они создали.

Другая хитрость - печатать в космосе. Там – в невесомости, в условиях микрогравитации, выражаясь более научно, клетки не надо поддерживать, да и манипулировать ими проще. Проверено на МКС. Еще в 2018 году туда доставили биопринтер, на котором космонавты распечатали щитовидную железу мыши.

Эксперименты продолжаются. Недавно на МКС были изготовлены материалы, пригодные для восстановления костной ткани. Их доставили на Землю и сейчас пересаживают лабораторным мышам с дефектами черепа, заживить которые труднее всего.

Биоприитер из фантасттического фильма.

Биоприитер из фантасттического фильма.

Так выглядит биопринтер, на котором работают российские ученые - Хесуани и его коллеги.

Так выглядит биопринтер, на котором работают российские ученые - Хесуани и его коллеги.

Поранились? Поставят заплатку

- Рассказывают, будто бы можно «залатать» рану, что называется, на месте – напечатать заплатку из кожи поверх поврежденного участка. В самом деле? - интересуюсь я.

- Есть такая технология, - отвечает Хесуани. – называется in-situ bioprinting. Первые эксперименты подобного рода провели наши американские коллеги из института Уэйк-Форест. Биопринтер у них был размером с компьютерный томограф. Рану сканировали, делали её трехмерную модель, а потом запечатывали.

Собственными экспериментами подобного рода Хесуани с коллегами занимались в 2019 и в 2020 годах – на крысах и на минипигах. Устраняли так называемые критические дефекты кожи – те, которые сами не заживают. У крыс это раны размером в 5 сантиметров, для свиней – более 7,5 сантиметров. Латали их специально разработанным для этого принтером Revivax - в виде роботизированной руки.

- Пора бы перейти от минипигов к людям, – предлагаю я.

- Мешает этому то, что в России, как и в большинстве других стран, пока толком не проработаны правовые основы, которые бы регламентировали подобные эксперименты, - говорит Хесуани. - Неспроста ведь американцы сейчас латают людей в Арабских Эмиратах. Там такое можно. В Китае можно, в Южной Корее. В этих странах, кстати, и технологии биопринтинга развиваются стремительно.

Принтер в виде роботизированной руки, позволяющий печатать заплатки из живой кожи прямо на ране.

Принтер в виде роботизированной руки, позволяющий печатать заплатки из живой кожи прямо на ране.

- Когда будет напечатан первый работоспособный человеческий орган?

- Мы как-то пробовали прогнозировать, - отвечает ученый. – Еще в 2014 году выпустили пресс-релиз, в котором предположили, что первая напечатанная живая ткань будет пересажена человеку не раньше 2030 года. А такое случилось в 2020. Ошиблись.

Оптимисты считают, что крупные органы целиком из 3D-принтера появятся к 2040 году, по более пессимистическим оценкам, к 2050. Те и другие опять же могут ошибаться. И всё случится гораздо раньше, как с пересадкой живой распечатанной ткани. Или, наоборот, позднее. Дело непростое. Для того, чтобы распечатать, к примеру, почку целиком, нужно более двух десятков «чернил» - клеток разных типов.

На освоение производства всевозможных мелких органов. например, эндокринных - щитовидной железы, поджелудочной – Хесуани отводит примерно 10 лет. И столько же может уйти на одоление чуть более легких путей, которые сейчас считаются не менее перспективными, чем печать целых органов. Во многих случаях, чтобы спасти человека, ему не надо менять какой-нибудь орган целиком. Достаточно восстановить его утраченные функции.

Скажем, участок сердца, пораженный инфарктом, можно залатать лоскутом напечатанной сердечной мышечной ткани. Как и рану на коже.

«Заплаточному ремонту» вроде бы подлежат и желудок, и кишечник, и мочевой пузырь, и сосуды. Да и исправить дефекты почек, печени и легких, пожалуй, тоже задача из разряда реальных. Заплатки только будут более объемными. Главное, запастись «чернилами». То есть, необходимыми для печати клетками – адекватными, как их называют. А нервные волокна и сосуды, как надеются ученые, прорастут сами.

Сердце, распечатанное на биопринтере - цель, к которой стремятся ученые.

Сердце, распечатанное на биопринтере - цель, к которой стремятся ученые.

Сердце – шар, печень – куб

То, что ученый рассказал дальше, не сразу уложилось у меня в голове. Посредством биопринтинга, оказывается, можно до неузнаваемости изменить внутренности человека. Так, что у анатома волосы встанут дыбом. Изменить - в прямом смысле. И опять же из рациональных соображений.

Ведь не столь уж важно, какую форму имеют те или иные органы. Главное, чтобы они работали. Поэтому не обязательно – в будущем, конечно, распечатывать их в привычном виде. Куда проще было бы придавать внутренним органам более правильные геометрические формы – кубов, параллелепипедов, шариков, на крайний случай, пирамидок.

Несколько лет назад специалисты 3D Bioprinting Solutions изготовили в форме параллелепипеда щитовидную железу мыши. Пересадили её зверьку, у которого своя железа не работала - гормонов не производила. Параллелепипед работал, срастался с сосудами, гормоны производил. Производил даже в том случае, когда его помещали рядом с почками - совсем не в то место, в котором обычно находится щитовидная железа.

Модернизация внутренностей, стало быть, в принципе возможна.

- Владимир Миронов, один из пионеров биопринтинга, агитируя за его развитие, уверял, что распечатать можно и волосы. Прямо на голове. Хорошо бы с этим поторопиться.

- Задача решаемая. Но есть трудность. К сожалению, волосы из распечатанных волосяных фолликул порой растут стихийно - в разных направлениях, бывает, что и внутрь. Преодолеть это неожиданное осложнение еще предстоит.

- Биопринтинг позволит жить вечно? Ну, хотя бы лет 300 , меняя износившиеся жизненно важные органы на новые – напечатанные?

- В нашем организме очень много органов, которые со временем изнашиваются. Уследить за всеми практически невозможно. Какие-нибудь обязательно сломаются, да еще разом.

Оптимисты считают: когда-нибудь технологии биопринтинга станут доступными, сами органы – дешевыми. Что позволит менять их по мере «выработки» ресурсов. Как тормозные колодки или амортизаторы в автомобиле. И тем самым увеличивать «пробег», простите уж за сравнение. Но продлевать таким образом жизнь до бесконечности вряд ли получится. Даже мечтать об этом не стоит. Ведь помимо ливера есть еще и мозг, распечатать который вместе со всеми его извилинами просто нереально. Значит от старческого слабоумия за принтером не спрятаться. Равно, как от какой-нибудь трясучки вроде болезни Паркинсона.

По появившейся недавно теории, человеку отпущено 150-200 лет. Таков якобы видовой предел. Вот его, меняя органы и ткани, достичь вроде бы можно. Мне бы хватило.