«Росатом» научился выращивать сосуды из живых клеток

К началу 2030‑х исследователи научного института в Троицке рассчитывают получить сложные разветвленные сосуды. Вокруг них можно будет формировать функциональные органы человека.

Недостатки биопечати

Технологии создания тканевых эквивалентов органов из собственных клеточных материалов пациента разрабатывают во всем мире. Самый распространенный метод — ​биопечать, послойное нанесение биочернил (клеток). Основной его недостаток в том, что в процессе формирования среднего или крупного тканевого эквивалента живым тканям не хватает питания: пока наращивается верхний слой, нижний погибает.

Троицкие ученые углубились в другую технологию — ​биофабрикации: объект формируют в питательной среде, управляя клеточным материалом в пространстве при помощи физических полей. Сразу после формирования такой эквивалент органа не готов к пересадке, он должен получить биомеханические свойства в биореакторе.

Ученые «Росатома» освоили биофабрикацию протяженных тканевых эквивалентов кровеносных сосудов. Для более сложных структур разрабатывается программное обеспечение, которое позволит формировать сосудистый эквивалент по цифровой модели, основанной на снимке компьютерной или магнитно-резонансной томографии.

Клеточная фабрика

Клеточный материал (те самые биочернила) и для биопечати, и для биофабрикации можно получить соскобом слизистой или из жировой ткани пациента. Также существует технология забора стволовых клеток из периферической крови.

«Мы формируем сфероиды — ​агломераты диаметром 200–300 мкм из клеток нужного типа, которые обладают способностью сливаться, создавая внеклеточный матрикс и единую структуру, — ​рассказывает ведущий специалист института в области аддитивных технологий и биоинжиниринга Егор Плахотнюк. — ​Знаменитый российский ученый, пионер в области биопечати Владимир Александрович Миронов называет процесс слияния двух сфероидов «kiss — ​french kiss».

На начальном этапе проекта, чтобы вырастить искусственный сосуд, ученые сделали два прибора: акустический биопринтер и биореактор. Потом их функции объединили в одном биофабрикаторе. В центральную ячейку загружают клеточный материал, задают настройки и в питательной среде формируют эквивалент сосуда.

«Сейчас мы удерживаем структуру акустическими полями, в будущем планируем использовать и магнитные, — ​говорит Егор Плахотнюк. — ​С магнитным полем проще выстраивать более сложные тканевые эквиваленты. Акустические позволяют нам выращивать искусственные сосуды длиной максимум 10 см».

Ячейку со сформированной из тканевых сфероидов структурой помещают в биофабрикатор для дозревания.

«Здесь, в наиболее естественной среде, мы многофакторно воздействуем на сфероиды, — ​поясняет Егор Плахотнюк. — ​Через эквивалент сосуда в течение некоторого времени прокачиваем питательную среду, скручиваем, сообщаем пульсацию и имитируем процессы, присущие живому организму, после чего искусственный сосуд готов к пересадке».

Разработку проверяют на мелких и средних животных в Первом Московском государственном медицинском университете им. Сеченова. Исследования продлятся весь этот год.

Прорыв в трансплантологии

Искусственные сосуды планируется использовать в хирургическом лечении атеросклероза. Часто пациентам ставят стент или шунт из биосовместимых металлов и полимеров. Но риск отторжения есть всегда, поэтому безопаснее заместить пораженный участок искусственным сосудом из клеточного материала самого пациента.

«Мы планируем к 2030 году подготовить магнитно-акустический биопринтер, в котором сможем выращивать не только простые эквиваленты артерий, но и более сложные разветвленные искусственные сосудистые структуры, — ​говорит Егор Плахотнюк. — ​Потом вокруг них можно будет выращивать функциональные эквиваленты органов с протоками, например печень, а сосуды будут питать ее в процессе дозревания».

Ученые уверены: биофабрикация — ​это прорыв в трансплантологии и регенеративной медицине. Если все получится, пациентам не придется ждать донорских органов: ​можно будет создавать персонализированные, идеально совместимые аналоги почки, поджелудочной железы, легкого и др.

«Более того, — ​продолжает Егор Плахотнюк, — ​на моделях органов можно будет изучать болезни и тестировать новые препараты, что значительно ускорит поиск эффективных методов лечения. Это также позволит уйти от сложных операций по пересадке целых органов, ведь, возможно, достаточно будет заменить поврежденные участки, используя биосовместимые конструкции. И это лишь малая часть потенциального применения технологии».