«Чернила» для биопечати: как создают материалы для биофабрикации

Ученые «Росатома» уже печатают тканевые эквиваленты кровеносных сосудов и сердечных клапанов из живых клеток. Но для внедрения биофабрикации в медицинскую практику развивать технологии печати мало, надо также создать универсальный материал — клетки, которые подойдут любому пациенту и не вызовут иммунного отторжения. Над этим работает лаборатория геномных технологий и тканевой инженерии Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (НИИТФА).

Эквиваленты живых тканей, или тканеинженерные системы, формируют в биофабрикаторе, управляя клеточным материалом в питательной среде при помощи физических полей. Затем эквивалент дозревает, получает необходимые биомеханические свойства, и его можно пересаживать лабораторному животному, а в перспективе — пациенту.

Идеальный материал для биопечати — плюрипотентные стволовые клетки. Они способны к неограниченному размножению и образованию клеток всех типов даже в лабораторных условиях. Эти свойства очень перспективны для регенеративной медицины. Однако они есть только у эмбриона на ранней стадии развития.

Использование эмбриональных стволовых клеток в медицине в начале века стало предметом острых этических споров, ведь оно требует уничтожения эмбриона. От угрызений совести человечество спасло открытие британца Джона Гердона и японца Синьи Яманаки. В 2012 году ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за доказательство возможности перепрограммировать любые зрелые клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые — ИПСК. То есть взять у больного кровь, сделать из лейкоцитов стволовые клетки и, зная нужные молекулярные механизмы, дифференцировать ИПСК — превращать неспециализированные стволовые клетки в специализированные клетки сосудов, мозга, печени, костей. «Открытие стало настоящим прорывом в регенеративной медицине: из ИПСК можно вырастить пациент-специфичные ткани и в перспективе органы. Кроме того, эти клетки можно применять для моделирования заболеваний, тестирования лекарств», — говорит Ирина Захарова, начальник лаборатории геномных технологий и тканевой инженерии НИИТФА.

Правда, дифференциация пока стоит дорого и занимает довольно много времени. На подготовку клеток уходит не меньше шести месяцев. Не у всех нуждающихся в трансплантации есть возможность столько ждать. И не у всех достаточно клеток требуемого качества. Можно использовать донорские стволовые клетки без дифференциации, но тогда будет риск отторжения. А нельзя ли сформировать банк ИПСК, которые подойдут каждому?

Генетические ножницы

«С прошлого года мы вовлечены в важнейший проект — совместно с Федеральным научно-клиническим центром физико-химической медицины им. Лопухина работаем над получением низкоиммуногенных ИПСК для создания универсальных клеточных продуктов, которые подойдут широкому кругу пациентов и не будут вызывать иммунный ответ», — рассказывает Ирина Захарова.

Чтобы сделать клетки низкоиммуногенными, нужно отредактировать их гены. Американская биотехнологическая компания Universal Cells, специализирующаяся на разработке универсальных донорских стволовых клеток, использует для редактирования генома безопасные аденоассоциированные вирусные векторы. Ученые «Росатома» применяют более современный инструмент, основанный на адаптивном иммунитете бактерий, — генетические ножницы CRISPR-Cas, которые позволяют исправлять мутации и вносить изменения в последовательности генов. Революционный метод предложили в 2012 году американка Дженнифер Дудна и француженка Эмманюэль Шарпантье, в 2020 году они были удостоены Нобелевской премии по химии.

«Методом геномного редактирования CRISPR-Cas, а точнее, его самой продвинутой безопасной версией, праймированным редактированием, мы отключаем в клетках гены иммунного ответа и включаем гены иммунной толерантности, — объясняет Ирина Захарова. — В прошлом году мы получили клетки условно здорового донора и создали генетические конструкции — кольцевые молекулы ДНК, которые, попадая в клетку, позволяют вносить изменения в геном, не встраиваясь в него. В этом году соединяем клетки и новые генетические конструкции. К концу года должны получить первую линию низкоиммуногенных индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. А дальше подтвердить их характеристики для применения в клинической практике».

Залатать сосуды

Параллельно в НИИТФА работают над продуктами на основе ИПСК. Среди них инновационная заплата для ангиопластики — устранения дефектов сосудов. Например, в России ежегодно проводится порядка 20 тыс. операций по удалению атеросклеротических бляшек, и приблизительно в четверти из них используют такие заплаты — из синтетических или биологических (ткани животных) материалов. Но у стенки сосуда человека очень сложная структура. Она состоит из нескольких слоев клеток — эндотелиальных, гладкомышечных и фибробластов. Каждый слой вырабатывает специфичный межклеточный матрикс, то есть функциональные молекулы, благодаря которым сосуд выполняет свои задачи.

«К сожалению, после имплантации искусственных заплат довольно велик риск повторной закупорки сосудов, а это опять операция. Чтобы повысить биосовместимость заплат, мы предлагаем заселять их эндотелиоцитами, полученными из ИПСК, — говорит Ирина Захарова. — Задача клеточно-заселенных продуктов — привлекать собственные клетки реципиента и помогать формировать стенку сосуда с правильным расположением функциональных слоев».

Проект рассчитан до 2030 года включительно. К тому времени ученые должны закончить доклинические испытания клеточно-заселенных заплат.

Железа из космоса

Второй продукт, который разрабатывают в НИИТФА, — трубчатый тканевый эквивалент сосуда, заселенный универсальными эндотелиальными клетками, полученными из низкоиммуногенных ИПСК. «Тканеинженерные клеточно-заселенные трубчатые эквиваленты сосудов должны в 2029 году выйти на доклинические исследования», — рассказывает Ирина Захарова.

В 2028 году ученые планируют вырастить на Международной космической станции паращитовидную железу на основе ИПСК. В условиях микрогравитации клетки свободно самоорганизуются в трехмерные структуры, максимально приближенные к естественным тканям.

«Впервые в мире живая функциональная система сложной органной структуры не только будет получена в космосе, но и вернется на Землю и будет пересажена животному», — отмечает Владислав Парфенов, директор Научно-производственного центра медизделий НИИТФА.

Когда впечатляющие разработки попадут в клиники? Начальник лаборатории геномных технологий и тканевой инженерии НИИТФА отвечает осторожно: «Наши разработки пока не дошли до стадии клинических исследований — тестируются не на людях, а в чашках Петри и на животных. Говорить о клиническом применении можно в перспективе 10 лет».