За семью печатями: как развивается 3D-биопринтинг в России

Биопринтеры побывали на орбите, ученые начали печатать кожу прямо на пациенте и создавать эквиваленты органов и тканей с точностью до каждой микропоры. «СР» поговорила с экспертами о том, как развивается биопринтинг и какие разработки заслуживают особого внимания.

О векторах развития

Сейчас в российской биопечати два ключевых направления. Первое — ​разработка биочернил. «Ученые стремятся заменить импортные компоненты, такие как альгинаты или фибриноген, отечественными аналогами: коллагеном, желатином и гиалуроновой кислотой. Исследуют гибридные гидрогели, которые повышают жизнеспособность клеток», — ​рассказывает доктор медицинских наук Константин Головко, начальник научно-исследовательского центра Военно-медицинской академии им. Кирова. Второй вектор — ​усложнение структур, воспроизводимых 3D-принтерами, переход от фабрикации однослойной ткани, например костной, к многослойной: хрящи, кровеносные сосуды, кожа.

Экспериментируют и с условиями. В 2018 году биопринтеры побывали на Международной космической станции: исследователи проверяли, что даст печать в микрогравитации — ​когда сила притяжения значительно уменьшается. «Микрогравитация исключает конвекции (перемещение потоков воздуха разной температуры под воздействием силы притяжения. — ​«СР») любого вида и обеспечивает равномерное формирование синтетических структур. Это позволяет получить уникальные материалы», — ​поясняет Владимир Комлев, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор Института металлургии и материаловедения им. Байкова РАН.

Все чаще при залечивании ожогов и язвенных ран кожу печатают in situ (лат. «на месте») — ​непосредственно на теле. Технологически это сложнее, чем напечатать фрагмент ткани на подложке и пересадить пациенту, но приживаемость при таком методе гораздо выше. На поврежденный участок наносится сетка из гидрогеля, она создает канву. По мере заживания к ней и прикрепляются новые клетки кожи — ​заполняют коллагеновый шаблон. Печать in situ позволяет полностью исключить осложнения и ускорить заживление раны в несколько раз, тогда как при обычной трансплантации высок риск отторжения, и нужно повторно травмировать пациента для взятия здорового фрагмента кожи.

О междисциплинарности

Развитие печати in situ требует кооперации со множеством областей. «Например, необходимо сочетание 3D-моделирования с машинным зрением для позиционирования роботизированного манипулятора с системой дозирования биочернил», — ​говорит Сергей Кравченко, кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус».

Пример междисциплинарного сотрудничества — ​разработка ученых Университета науки и технологий «МИСиС». Они придумали модификацию биопринтера-роборуки. Робота выставляют таким образом, чтобы печатающая головка была над поврежденным участком кожи. Хирург снимает повязку, роборука при помощи камеры сканирует поверхность раны. «Программа получает объемную карту поврежденного участка, компьютер генерирует траекторию печатающей головки и вычисляет объем выдавливаемого материала в зависимости от формы и глубины раны», — ​описывает схему Александр Левин, член группы разработчиков, сотрудник лаборатории тканевой инженерии. Пациенту введена анестезия, но из-за дыхания и сердцебиения его тело совершает небольшие колебания. Чтобы повысить точность операции, печатающую головку дополнили лазером и наведенными на него камерами. Когда луч становится длиннее или короче, программа автоматически меняет положение сопла шприца.

В лаборатории того же МИСиСа разработали и напечатали эквивалент опухолевой ткани для исследования новых препаратов и терапевтических стратегий. Обычно онкоткань-тестер — ​это простая двухмерная структура, монослой, который не способен продемонстрировать эффективность проникновения препарата вглубь новообразования. Ученые МИСиСа внесли два важных изменения. «Распечатки» с раковыми клетками поджелудочной железы и фибробластами сделали трехмерными. Структуры оставались жизнеспособными в течение четырех недель. Кроме того, в разработке впервые в мире использовали тканевые сфероиды — ​шарообразные структуры, в которых клетки тесно связаны друг с другом. Получилась модель, максимально схожая со стромальной структурой человека — ​окружением опухолевых клеток, от которого зависит их рост и инвазивность.

О создании условий

В России складывается нормативно-правовая база для развития высокотехнологичного направления. «В прошлом году вступили в силу изменения к федеральному закону № 180 «О биомедицинских клеточных продуктах», допускающие их применение в формате госпитального исключения», — ​говорит Анастасия Шпичка, доцент, заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Научно-технологического парка биомедицины Первого Московского государственного медицинского университета им. Сеченова. Правом на госпитальное исключение называют механизм использования незарегистрированных высокотехнологичных лекарственных средств — ​только в стационаре и только по индивидуальному назначению. Благодаря поправке биомедицинские клеточные продукты, к которым относятся и «биораспечатки», минуя многочисленные бюрократические процедуры, оперативнее дойдут до пациента.

Биопринтинг внесен в Стратегию развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года. «Будет создано около 180 центров аддитивных технологий. Некоторые цели и задачи [стратегии] находят отражение в таких национальных проектах, как «Новые материалы и химия», «Биоэкономика», — ​уточняет Владимир Комлев. В разделе «Ключевые мероприятия» распоряжения Правительства РФ, утвердившего стратегию, обозначено, что планируется промышленно освоить «печать биологических объектов, компонентов и тканей».

Контекст

Ученые «Росатома» работают в смежном с биопечатью направлении — ​биофабрикации. Объект формируется в питательной среде под воздействием физических полей, а затем приобретает биомеханические свойства в реакторе. В отраслевом институте в Троицке выращивают эквиваленты кровеносных сосудов из собственных клеток пациентов. В этом году кролика с имплантированным в бедренную артерию эквивалентом сосуда представили на Форуме будущих технологий и «познакомили» с президентом России. Недавно в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» при поддержке «Росатома» открылась лаборатория регенеративных технологий и тканевой инженерии.

В мире

• Использование струйной печати для клеток в 2003 году запатентовал доктор Томас Боланд из Университета Клемсона (США).
• Одна из самых зрелищных демонстраций возможностей биопринтинга состоялась в 2011 году на конференции TED: оболочка человеческой почки печаталась прямо на сцене во время выступления американского хирурга Энтони Аталы.
• В 2015 году китайские ученые впервые пересадили напечатанное ухо девочке, страдающей микротией — ​врожденным недоразвитием ушной раковины. К 2018 году эту операцию провели еще пяти детям. Сейчас во многих клиниках мира пересаживают напечатанные носы, мочевые пузыри и кости.
• В 2024 году американские биологи впервые напечатали образец работающей нервной ткани. Им удалось воссоздать участки коры головного мозга, ткань поместили в специальный гель, который позволил нейронам обмениваться сигналами. Разработка поможет в изучении процессов, происходящих в мозге при болезнях Альцгеймера и Паркинсона.

Топ‑3 последних разработок по версии «СР»

• Ученые Томского политеха, Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН, Томского госуниверситета и португальского Университета Авейру напечатали биоразлагаемые скеффолды на основе полимолочной кислоты с наночастицами магнетита. Скеффолд — ​каркас с эффектом памяти формы для поддержки растущей костной ткани в месте перелома. Напечатанный скеффолд обладает механическими свойствами, сопоставимыми с губчатой костной тканью.
• В Московском физико-техническом институте разработали литограф, который печатает 3D-объекты с элементами размером 150 нм — ​меньше, чем можно увидеть невооруженным глазом. Литограф позволит изготавливать микрокаркасы для выращивания искусственных тканей и органов нужной формы вплоть до пор диаметром менее 2 нм.
• В Сеченовском университете на минипигах испытали компактный принтер «Биоган» с автоматической системой подачи биочернил. Гидрогель на основе желатина и клеточные компоненты смешиваются непосредственно перед нанесением на раневую поверхность и помогают кожным покровам быстрее восстановиться.