Российское образование мирового класса!

Цель Проекта 5-100 – максимизация конкурентной позиции группы ведущих российских университетов на глобальном рынке образовательных услуг и исследовательских программ.

СМИ о проекте


Напечатать человеческий орган

26 апреля 2021 года
Автор: Наталья Быкова
Фото: Depositphotos
Источник: Эксперт

Успешные эксперименты по трансплантации участков кожи, напечатанных на 3D-принтере, возвращают интерес инвесторов к тканевой инженерии. Задача пересадки и нормального функционирования в организме напечатанных сердец, печени и почек может быть решена в течение десяти-пятидесяти лет

В области тканевой инженерии намечается долгожданный прорыв. Группа ученых Университета Абу-Даби готовит к публикации статью о результатах первого в мире успешного эксперимента по пересадке человеку напечатанного на биопринтере участка кожи для замещения язвенных дефектов. И хотя работа еще не прошла рецензирование, ее уже обсуждают в "узких научных кругах" как настоящую сенсацию.

Ближайшая цель - кожа

Над созданием кожных заплаток, с помощью которых можно было бы навсегда избавить человека от трофических язв, работает несколько сильных команд. В ближайшие годы основные результаты по трансплантации напечатанных органов, вероятно, будут связаны именно с кожей.

Помимо Университета Абу-Даби, ученым которого удалось довести исследования до клинической стадии испытаний, известно как минимум о двух экспериментах по трансплантации участков напечатанной кожи животным. Оба осуществлены в 2019 году - один в США, другой - в России. 

Через несколько месяцев схожий по замыслу эксперимент на животных провели ученые из российской компании 3D Bioprinting Solutions совместно с коллегами из Московского научно-исследовательского онкологического института имени П. А. Герцена. Животным вживляли выращенную из их же клеток кожную заплатку непосредственно в место дефекта. Операцию проводили при помощи робота-манипулятора KUKA с прикрепленной к нему форсункой с клеточным материалом. "Заправку" для робота в этом проекте также готовили из клеток животных-реципиентов и тоже печатали новую кожу непосредственно в место дефекта. Размеры ран у участников экспериментов были критическими, распространенными на все слои кожи, для крыс - пять сантиметров в диаметре, для мини-пигов - порядка девяти сантиметров. Обычными терапевтическими методами такие повреждения залечить было бы невозможно.

По словам генерального директора 3D Bioprinting Solutions Юсефа Хесуани, операции прошли успешно: используемый в качестве матрикса коллагеновый гель деградировал, а биоинженерную заплатку заселили родные клетки пациентов, участвующие в формировании сосудов; в нее также прорастали капилляры из окружающей рану ткани. Таким образом, поврежденные участки получили реальный шанс на эстетическое и функциональное восстановление. Особенность российского подхода заключается в использовании оригинальных технологий приготовления клеточных чернил и матрикса, а также в применении "руки KUKA", благодаря которой стало возможным заполнять тканевые дефекты неправильной формы под разными углами.

"Классический 3D-принтер для этих целей мы не использовали, так как он хорош на горизонтальной поверхности, а дефект кожи может обладать кривизной поверхности, к тому же пациент дышит, из-за чего точка Z постоянно меняет координаты. В процессе печати робот манипулятор не может нанести вреда пациенту, так как сразу останавливается, если во что-то упирается. Это новый подход к биопечати", - поясняет Юсеф Хесуани.

К сожалению, не все дерматологические недуги можно вылечить при помощи напечатанных участков кожи. Речь пока не идет о больших повреждениях в результате ожогов - они требуют неотложной помощи, а выращивание клеток для печати может занять несколько недель. По словам Юсефа Хесуани, такие методы будут полезны при регенерации участков с язвенными поражениями, которые возникли в ходе так называемых трофических изменений. Самое известное из них - диабетическая стопа. Чаще всего пациенты с такими язвами живут долго, заболевание может протекать десятилетиями, серьезно снижая качество жизни человека. Адекватной терапии для него до сих пор не создано.

Юсеф Хесуани считает, что развитие биоинженерии сердца, печени и почек пойдет не по пути печати органов как таковых, а по пути создания на 3D-принтерах их отдельных частей - тканевых заплаток, способных заместить область дефекта. Эта задача кажется вполне посильной.

По мнению Виктора Севастьянова, заведующего отделом биомедицинских технологий и тканевой инженерии Национального медицинского исследовательского центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова, внедрение в клиническую практику технологии пересадки напечатанных на 3D-принтере дефицитных органов, по самым оптимистичным прогнозам, станет возможным через тридцать-пятьдесят лет.

"Биопечатные технологии, как и все новые медицинские методы лечения, должны пройти тесты на биобезопасность, а также надлежащие процессы правового регулирования, прежде чем станут доступны трансплантологам. Работа над этими этапами требует сложной и долговременной интеграции технологий из различных областей, включая инженерию, науку о биоматериалах, клеточную биологию, физику, математику и медицину. Мы следим за работами в этой области, но считаем, что это лишь первые демонстрационные шаги, сделанные в основном в рекламных целях", - отмечает Виктор Севастьянов.

По оценке директора НМИЦ радиологии, главного онколога Минздрава России Андрея Карпина, биопечать органов пока больше относится к области фундаментальных проблем биоинженерии, в решении которых, по его мнению, наиболее продвинулся Институт биологической инженерии Висса в Гарвардском университете. В клинической практике, считает эксперт, однозначных лидеров нет, поскольку имплантации тканеинженерных конструкций - это сложные в техническом и биоэтическом отношении манипуляции, требующие длительного подготовительного периода.

Сделано. Не работает

А возможно, ничего не получится и попытки напечатать состоящие из многих типов клеток полноценные органы на замену изношенных деталей вообще заведут науку в тупик. Причина не только в сложности укладывания многочисленных слоев клеток в определенную форму, но и в запуске "запчасти" в организме. Ее нужно заставить работать - переваривать пищу, очищать организм от токсинов или вырабатывать гормоны, а как это сделать, до конца не ясно.

В 2019 году ученым польского Фонда исследований и развития науки удалось фактически невозможное - напечатать на 3D-принтере из клеток поджелудочной железы мышей бионическую поджелудочную железу с кровеносными сосудами, способную производить инсулин. Этот результат казался большим успехом, с ним связывали перспективы новых подходов к терапии сахарного диабета, которая избавила бы больных от необходимости приема гормональных препаратов. Но эксперименты по трансплантации органа подопытным животным разочаровали. В живом организме искусственная поджелудочная железа синтезировала инсулин, но только когда хотела и в каких хотела количествах. Орган оказался нефункциональным. Привязать его ко всем остальным процессам в теле подопытных животных ученым так и не удалось.

"Это задача будущего - создать полноценный орган, состоящий из разных типов клеток, который питался бы кровью, включал в себя элементы кровеносной и нервной системы. Пока ее никто не решил", - отмечает заведующая лабораторией биотехнологии поддержания и восстановления компонентов природных трансформированных биосистем Уральского федерального университета (вуз - участник Проекта 5-100) Ирина Киселева. В УрФУ пока лишь отрабатывают технологию печати простых структур, состоящих из одного типа клеток, - например, прототипов сосудов или хрящевой ткани уха. В этом тоже есть сложности: важно не убить клетки в процессе печати, заставить их взаимодействовать в создаваемой биопринтером трехмерной модели. Задача ближайшего будущего для уральских биоинженеров - вживить напечатанный сосуд в организм животного, чтобы он обрастал нервными волокнами и кровеносными сосудами и работал как настоящий.

Государственный подход

Стимулы для развития направления биопечати тканей и органов пока создают преимущественно государственные структуры. По заверению Юсефа Хесуани, наиболее лояльное законодательство по биопечати создали Китай, Объединенные Арабские Эмираты и Южная Корея, где достаточно собрания этического комитета для государственного утверждения продукта.

В России это направление частично регулируется федеральным законом о биомедицинских клеточных продуктах - в этом документе 15 пунктов с многочисленными подпунктами, которые необходимо соблюсти для государственной регистрации продукта.

Необходимость стандартизации компонентов, используемых при получении напечатанных биоконструкций, называет в числе основных препятствий к использованию технологии в клиниках главный онколог Минздрава РФ Андрей Карпин. Он обращает внимание на то, что по существующему в России законодательству созданные на основе культивированных клеток биоинженерные органы являются биомедицинскими клеточными продуктами, требующими проведения доклинических и клинических исследований.

Конкретных источников финансирования проектов создания тканей и органов с помощью трехмерной печати в России нет, а сама тема не выделена в отдельную графу научного бюджета. Проекты получают поддержку в рамках программы повышения конкурентоспособности российских университетов "5-100", в которой суммы грантов на разные вузы варьируются в пределах от 125 млн до 876 млн рублей. Эти исследования также имеют шансы получить гранты научных фондов.

Оригинал статьи: https://expert.ru/expert/2021/18/napechatat-chelovecheskiy-organ/