Технологии биопечати открывают в медицине перспективы, о которых раньше можно было только мечтать. Возможность оперативно «распечатывать» органы и ткани, не дожидаясь появления донора, при этом используя собственные клетки пациента, не провоцирующие иммунный ответ, — впечатляющий подход, родившийся сравнительно недавно, но уже позволяющий получать первые значимые результаты по всему миру. И Россия — не исключение. Более того, некоторые значимые эксперименты в области печати биоинженерных конструкций были впервые поставлены именно отечественными учеными.
Развитие биопечати актуально для медиков и исследователей всей страны. В апреле 2024 г. президент России В.В. Путин поручил правительству РФ разработать национальный проект «Новые технологии сбережения здоровья». В числе мер, нацеленных на внедрение биомедицинских технологий, в масштабную программу вошла и поддержка разработок в сфере биопечати.
FABION — первый отечественный биопринтер, созданный компанией 3D Bioprinting Solutions.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Пионеры биопечати в России — компания 3D Bioprinting Solutions, занимающаяся разработками в сфере 3D-печати органов и тканей более десяти лет. Ей принадлежит первенство в создании отечественного биопринтера — представленная в 2014 г. разработка получила название FABION. Уже год спустя напечатанную на новом принтере щитовидную железу успешно пересадили лабораторной мыши.
Биопринтеры в лаборатории научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
«В рамках нацпроекта “Новые технологии сбережения здоровья” планируется отработать более 15 биомедицинских решений, в том числе путем внедрения биопечати. Разумеется, нацпроект придаст новый импульс развитию биопечати. Необходимо отметить, что биопечать имеет отдельный трек в рамках стратегии развития аддитивных технологий, принятой правительством Российской Федерации. По реализации данной стратегии госкорпорация “Росатом” в лице АО “Наука и инновации” проводит важную работу по разработке методов биопринтинга. Например, на Форуме будущих технологий, прошедшем в феврале этого года и посвященном медицинским разработкам, коллеги из “Росатома” продемонстрировали президенту магнитно-акустическую систему биопечати. И в результате мы видим задачи по внедрению технологии в практическую медицину», — сказал соучредитель и управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани.
БИОПРИНТЕР, ТКАНЕВЫЙ ПИСТОЛЕТ И ИСКУССТВЕННОЕ УХО
Эксперты 3D Bioprinting Solutions ведут исследования совместно с Национальным исследовательским технологическим университетом МИСИС — своим партнером по федеральному проекту Министерства науки и высшего образования «Передовые инженерные школы».
В сентябре 2023 г. прошел доклинические испытания разработанный партнерами биопринтер в виде роборуки, позволяющий залечивать ожоги, язвы и обширные раны на теле пострадавшего прямо в операционной. Технологию протестировали на животных в лаборатории Московского научно-исследовательского онкологического института им. П.А. Герцена. А уже в декабре 2023 г. с помощью нового биопринтера хирурги Главного военного клинического госпиталя им. акад. Н.Н. Бурденко провели первую в мире операцию с биопечатью на пациенте.
«С ГВКГ им. Н.Н. Бурденко мы работаем в рамках трехстороннего Соглашения о научной деятельности, подписанного Университетом МИСИС, 3D Bioprinting Solutions и самим госпиталем. Вообще для нас общепринят такой формат взаимодействия, когда мы работаем с разными клиническими базами на безвозмездной основе, чтобы найти решение для конкретных клинических случаев. При таком подходе врачи по сути выступают постановщиками задачи и конечными пользователями технологии», — рассказал Юсеф Хесуани.
Один из биопринтеров в виде роборуки в лаборатории МИСИС.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Роборука-биопринтер ориентируется в пространстве с помощью системы компьютерного зрения. В качестве биочернил в устройство загружается коллагеновый гидрогель российского производства, в который уже «на месте» добавляются собственные клетки костного мозга пациента, стимулирующие регенерацию тканей.
Перед операцией биопринтер самостоятельно отсканировал место повреждения, после чего специалист университета запрограммировал траекторию подачи биочернил в рану. Далее робот без помощи человека запечатал повреждение биополимерной «заплаткой».
Разработанная партнерами система сканирования и печати помогает успешно преодолеть сразу три препятствия, с которыми можно столкнуться в процессе биопечати: сложный рельеф раны, повышенная кровоточивость и инородные тела (например, металлические конструкции для фиксации сломанных костей). А если пациенту необходима реконструктивная операция, частичное «закрытие» раны сокращает площадь повреждения, что помогает снизить хирургическое вмешательство и, как следствие, риск развития осложнений после него.
Подготовка материалов для биопечати в лаборатории МИСИС.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
«Создан важнейший прецедент использования биопринтера для атравматичного закрытия обширных приобретенных дефектов сразу на пациенте без предварительной подготовки 3D-моделей и без необходимости имплантации напечатанных заранее эквивалентов ткани», — отметил директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Святославович Сенатов.
Вносят свой вклад в развитие биопечати и молодые ученые МИСИС. Весной 2023 г. выпускники программы «Биоматериаловедение» запатентовали напечатанный на 3D-принтере имплантат ушной раковины. Исследователи представили разработку в качестве дипломной работы. Новое искусственное ухо превосходит аналоги по биофизическому сходству с настоящей ушной раковиной. Полиуретановый каркас имплантата повторяет очертания уха и имеет особую структуру, позволяющую сосудам прорастать сквозь него. Напечатанная ушная раковина не теряет исходной формы под воздействием силы натяжения кожного лоскута, а клеточный материал внутри имплантата близок по плотности к живой ткани, что позволяет расширить регенеративные возможности и увеличить приживаемость искусственного уха. Технология поможет устранять как врожденные дефекты, так и последствия травм, ожогов и опухолей.
Мобильный тканевый пистолет позволит дезинфицировать и заживлять раны в полевых условиях.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Яркое достижение МИСИС в области биопечати — первый в России тканевый пистолет, позволяющий накладывать «заплатки» из биополимеров на раны легкой и средней степени тяжести. Технология помогает остановить кровь и запустить восстановительный процесс на месте повреждения. Для заживления раны пистолет смешивает в единый материал три компонента: биополимеры, медицинские препараты (обезболивающие, кровоостанавливающие, антибактериальные и др.) и сшивающий агент. Соотношение «ингредиентов» регулируется в режиме реального времени. В отличие от аналогов технология обладает более простой и функциональной системой подачи материала в область раны, может использовать шприцы с биоматериалами вдвое большего объема, а также полностью автономна и заряжается через USB-порт. Разработка предназначена для помощи пострадавшим в мобильных госпиталях во время чрезвычайных ситуаций и военных действий. Тканевый пистолет уже испытали в НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина — технология помогла ускорить заживление ожоговых ран у лабораторных животных.
Биопринтер, искусственное ухо и тканевый пистолет были разработаны в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинские материалы и биоинженерия» по программе Министерства науки и высшего образования «Приоритет-2030». Программой руководит заместитель президента РАН, доктор медицинских наук академик Владимир Павлович Чехонин. Помимо этого, МИСИС — координатор и инициатор консорциума «Инженерия здоровья», в который входят более десятка организаций (включая 3D Bioprinting Solutions), работающих над новыми методами борьбы с тяжелыми заболеваниями и инновационными медицинскими технологиями.
Отличия между разновидностями стволовых клеток, имеющими потенциал применения в биопечати, проанализировали в Сеченовском университете.
Фото: wirestock / фотобанк Freepik
ОТ ХРЯЩЕВОЙ ТКАНИ ДО БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ
Особое место биопечать занимает и в практике Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова. Летом 2023 г. ученые вуза провели полный цикл биопечати тканевого эквивалента совместно с ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Эксперимент позволил впервые выработать пошаговое описание создания биоинженерной конструкции на 3D-принтере. Для печати исследователи использовали два типа стволовых мезенхимальных стромальных клеток человека — из слизистой оболочки десны и из жировой ткани. Из них сформировали сфероиды — строительные «кирпичики» для биопринтера — и смешали со специальным гидрогелем из желатина, фибриногена и нескольких веществ-модификаторов, создающим комфортную среду для функционирования клеток. Затем исследователи напечатали с помощью полученных биочернил эквивалент живой ткани и пронаблюдали за дифференциацией стволовых клеток. Оказалось, что клетки из десны становятся более вытянутыми, поэтому больше подойдут для создания сосудов и костей, а клетки из жировой ткани принимают распластанную форму, что делает их пригоднее для получения искусственной кожи. В результате эксперимента исследователи получили полностью функциональный живой эквивалент кожи, который позволит повысить эффективность терапии плохо восстанавливающихся диабетических и трофических язв, ожогов и незаживающих ран.
Напечатанная на биопринтере хрящевая ткань поможет пациентам с заболеваниями суставов.
Источник изображения: kjpargeter / фотобанк Freepik
В числе других достижений Сеченовского университета в области биопечати — эксперименты по созданию искусственного хряща и аналога барабанной перепонки человека. Напечатанная на биопринтере хрящевая ткань поможет в лечении травм и борьбе с заболеваниями суставов, такими как остеохондроз, а барабанная перепонка позволит обрести слух людям, страдающим от глухоты и тугоухости.
В 2023 г. в Институте регенеративной медицины университета открылась первая в России образовательная программа по 3D-биопечати, разработанная по программе «Приоритет-2030» и нацеленная на подготовку врачей различных направлений, провизоров, биологов, биотехнологов и биоинженеров. Кроме того, Сеченовский университет заключил соглашение с Китаем о создании двух совместных лабораторий биопечати и регенеративной медицины в Медицинском университете Цзуньи и Девятом Народном госпитале в Шанхае. Планируется, что российско-китайские разработки будут использоваться в травматологии и восстановительной хирургии при раковых заболеваниях шеи и головы.
«В российско-китайских лабораториях будут создавать биоэквиваленты, которые в отличие от традиционно применяемых в реконструктивной хирургии онкозаболеваний титановых сплавов будут постепенно замещаться собственной тканью», — объяснил директор Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Петр Сергеевич Тимашев.
ЗАМЕНИТЬ ПОДОПЫТНЫХ МЫШЕЙ И «РАСПЕЧАТАТЬ» ДНК
Значимых результатов в сфере биопечати достигают и другие вузы страны. Например, собственный биопринтер BION-F представили в 2019 г. исследователи Донского государственного технического университета. Важнейшая особенность разработки — простота производства: устройство создали с помощью технологий 3D-печати. BION-F многофункционален: он позволяет печатать искусственные ткани из биочернил с живыми клетками, конструкции из биопластика с гидрогелем, а также скаффолды — трехмерные каркасы для формирования различных биологических структур.
Ученые ТГУ предлагают использовать напечатанные на 3D-принтере тканевые эквиваленты для испытаний лекарств и имплантатов вместо лабораторных животных.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
К развитию биопечати приступили в начале 2023 г. и ученые Томского государственного университета. Напечатанные ткани исследователи предлагают использовать в регенеративной медицине, а также на замену лабораторным животным для испытания имплантатов и новых препаратов против рака.
«Задача заключается в получении фундаментальных знаний о процессах развития опухоли и поиске новых методов лечения <…>. Биопринтинг тканей расширит наши исследовательские возможности», — поделилась заведующая лабораторией трансляционной молекулярной и клеточной биомедицины ТГУ Юлия Георгиевна Кжышковска.
Как уже упоминалось выше, важная составляющая биочернил для печати тканей и органов — гидрогели, создающие благоприятную среду для живых клеток. Однако, чтобы подготовка биоинженерной структуры прошла успешно, в геле должна поддерживаться комфортная для клеток температура, контроль которой осложняется тем, что гидрогель — анизотропный материал. Простыми словами, его физико-химические свойства неоднородны. Большой вклад в совершенствование диагностики процессов, протекающих в гидрогелях для биопечати, внес Николай Захаров, молодой ученый из Российского технологического университета МИРЭА. Исследователь впервые получил видеокадры, отражающие особенности теплообмена в гидрогеле в процессе его нагрева, а также позволяющие зафиксировать время начала его плавления и соответствующие этому мгновению предельные тепловые потоки.
Первый в России геномный принтер представили исследователи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (на иллюстрации — художественное изображение).
Источник изображения: kjpargeter / фотобанк Freepik
Интересную разработку в области биопечати — первый в России геномный принтер — представили в начале 2024 г. исследователи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Система предназначена для массового автоматического синтеза олигонуклеотидов — фрагментов ДНК, из которых затем можно собирать длинные молекулярные цепочки, несущие генетическую информацию. Одно из практических применений технологии — производство лекарств от генетических заболеваний.
«Наши коллеги из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН “сняли” синтезированные последовательности с подложки и провели так называемую лигазную сборку. Дело в том, что последовательности, которые мы синтезировали, не случайные, отдельные их участки частично комплементарны друг другу и при определенных условиях собираются в двойную цепочку. Фермент лигаза сшивает эти последовательности, и в результате получается длинная двойная цепочка ДНК», — объяснил заведующий лабораторией аддитивных технологий и инженерной биологии университета Руслан Магомедтахирович Гадиров.
НАУКА В НЕВЕСОМОСТИ
Испытания возможностей биопечати добрались и до космоса. В конце 2018 г. на Международную космическую станцию прибыл магнитный биопринтер «Орган.Авт» от компании 3D Bioprinting Solutions, адаптированный для работы в условиях невесомости. Еще тогда космонавт Олег Кононенко впервые в истории напечатал с помощью устройства аналоги мышиной щитовидной железы и человеческой хрящевой ткани. А совсем недавно, весной 2024 г. испытания «Орган.Авта» вышли на новый уровень: технология позволила создать на орбите эквивалент трубчатых биоинженерных конструкций. В эксперименте «Магнитная биофабрикация» приняли участие Олег Кононенко и первая женщина-космонавт Беларуси Марина Василевская. В будущем разработка поможет формировать аналоги таких полых образований в организме человека, как сосуды и мочеточник. Партнерами испытания под руководством директора Института биомедицинской инженерии МИСИС Ф.С. Сенатова выступили госкорпорация «Роскосмос», РКК «Энергия», ЦНИИмаш, Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина и организация «Агат».
Магнитный биопринтер «Орган.Авт» для работы на МКС в условиях невесомости.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
В основу искусственных трубчатых структур эксперты 3D Bioprinting Solutions положили пластины из специального металл-полимерного материала с памятью формы, разработанного совместно с учеными НИТУ МИСИС. На них был нанесен клеточный материал. При комнатной температуре покрытые клетками пластины оставались ровными, а при нагревании до 36 °C в магнитном поле свернулись в трубчатые структуры с нужными длиной и диаметром. Проведя эксперимент, космонавты зафиксировали полученные конструкции и отправили на Землю для анализа. Эксперимент с подобными материалами состоялся в микрогравитационной среде впервые.
«Успешно полученные результаты лягут в основу исследований по созданию искусственных тканей в условиях невесомости», — сообщила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Анатольевна Черникова.
Автор: Анастасия Жукова
Заглавное фото: Первый отечественный биопринтер FABION / Елена Либрик / «Научная Россия»
