Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

«Мы не зависим ни от свиней, ни от доноров»

Если технологию биопечати органов поставить на поток, это будет выглядеть как сборка автомобиля

Надежда Маркина 05.06.2013, 17:13
Научный руководитель лаборатории 3D Bioorinting Solutions, профессор Владимир Миронов bioprinting360.com
Научный руководитель лаборатории 3D Bioorinting Solutions, профессор Владимир Миронов

О том, как печатать органы живыми клетками без твердых каркасов, на каком принтере и какими «чернилами», «Газете.Ru» рассказал автор первой публикации о технологии 3D-биопринтинга, научный руководитель лаборатории 3D Bioprinting Solutions профессор Владимир Миронов.

— Когда и у кого впервые возникла идея 3D-биопринтинга?

— Это непростой вопрос. Я могу просто сказать, что я был первым. Но люди, которые работают в этой области, имеют свое представление о том, что такое трехмерная биопечать. В моем представлении это означает, что вы печатаете живыми клетками, которые закладываются в принтер. До нас были попытки использовать методы трехмерной печати для создания скаффолдов: использовали полимеры, керамику, даже титан, но это все без клеток. Скаффолд — это каркас, временная поддержка, которая используется для того, чтобы клетки прилипли к нему. Таким образом создается форма, потом клетки начинают синтезировать матрикс, и скаффолд деградирует. Были и у меня попытки это использовать, но потом мы перешли к принципиально другому подходу.

Во-первых, мы не печатаем скаффолд, а сразу печатаем живую ткань. Во-вторых, в качестве каркаса мы используем мягкий гидрогель. И третье отличие в том, что мы используем максимально возможную изначальную концентрацию клеток.

Если просто смешать клетки с гидрогелем, то они будут находиться на большом расстоянии друг от друга. Но мы делаем тканевый сфероид, в котором каждая клетка контактирует с пятнадцатью соседями, и этим достигается высокая плотность клеток, как в живой ткани.

Наша первая статья по этому методу была опубликована в 2003 году. Это отправная точка. Мы ввели термин organoprinting, термин bioink (биочернила), термин bioprinting. Сейчас порой многие используют нашу терминологию, но пытаются доказать, что они были пионерами.

С моей точки зрения, я сделал очень важный переход от скаффолда к живым клеткам.

И сейчас наша точка зрения становится все более доминирующей. Я считаю — хватит физики, хватит химии, надо делать биологические структуры.

— Сейчас с использованием скаффолдов достигнуты большие успехи в регенеративной медицине, например в операции Паоло Маккиарини по восстановлению трахеи. Есть уже практические результаты. Как вы можете сформулировать преимущества вашей технологии?

— Есть, конечно, работы Маккиарини. Затем вышли четыре статьи — по сердцу (Дорис Тейлор), по легкому (Лора Николсон), по печени и, вот буквально в прошлом месяце, по почке (обе последние работы из Гарвардского университета). Можно еще упомянуть, что с помощью скаффолдов Энтони Атала сделал мочевой пузырь, а Лоренс Бонасар из Корнельского университета сделал ухо, но это все плоские органы, у них нет такой объемной структуры, как, скажем, у сердца, легкого, печени и т. д.

Критика их подхода очень проста: если не хватает органов для пересадки, а вы используете как скаффолд децеллюризированный (обесклеточенный) орган, то где вы их возьмете?

Если же переходить, скажем, на свинью, то возникают проблемы иммунологической совместимости и вирусных инфекций. И эти две проблемы не позволят получить разрешение регуляторных органов, таких как FDA.

— В последних операциях Маккиарини использует синтетические скаффолды.

— Синтетический скаффолд тоже имеет свои проблемы. Хотя считается, что, если материал деградирует, если нет никаких онкогенных проблем, то это даже лучше, чем натуральный. Но он используется уже почти 20 лет — и каков результат? Кожа, хрящ, кость — и все, в принципе. Никаких особых прорывов нет.

— А трахея, которую сделал Маккиарини?

— Ну трахея — это же просто воздуховодная структура. Другой аспект: мы используем автоматизацию, роботов — это такой элегантный хайтек-метод.

Если его поставить на поток, создать технологическую линейку — робот собирает клетки, робот образует сфероиды, робот печатает органы, и потом в биореакторе они созревают, — это выглядит как сборка автомобиля.

И, как показывает практика, чем выше уровень автоматизации, роботизации, тем со временем продукция становится дешевле. Кроме того, мы все разные по размерам. Нашим методом мы сможем печатать органы индивидуально — по меркам конкретного человека.

Есть еще альтернатива, основанная на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, которые сделал Яманака, а у нас сейчас ими занимается Сергей Киселев. Берется биопсия из кожи, добавляются четыре гена — клетка становится похожа на эмбриональную. Эту клетку можно пересадить в бластоцисту, бластоцисту пересадить беременным животным — и вырастает животное с человеческими органами. Это уже сделано японцами на поджелудочной, с использованием свиньи. Естественно, там кровеносные сосуды, нервы, соединительная ткань — все из свиньи. Но в принципе, если добавить пятый ген, который не позволяет развиваться голове, чтобы получился ацефал, суррогатная мать уже легальна, аборты плода-ацефала тоже легальны…

— Но это какой-то этически очень сомнительный способ…

— Этически сомнительно, когда вы кого-то убили. В данном случае этого кого-то нет, потому что клетки от больного, плод не человек, поскольку нет головы… Но я просто хотел представить три возможные технологии: скаффолды, натуральные или синтетические, использование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и наша технология органопринтинга.

С моей точки зрения, наша технология очень адаптивна, очень элегантна, годится для применения в индустриальном масштабе. Мы не зависим ни от свиней, ни от доноров и не связаны ни с какими этическими проблемами. И цена продукта может стать невысокой.

— Давайте перейдем к составляющим самой технологии.

— Биопринтинг — это не только одна технология. Сейчас доминируют 4–5 технологий. Можно взять жидкость, фоточувствительный гидрогель, можно порошок напылять и т. д. Весь биопринтинг можно разделить на две группы. Один вариант, когда из шприца или из диспенсера идет постоянная струя, и второй вариант, когда идет капельками. То есть или непрерывная, или прерывистая схема. Большинство используют стандартные существующие принтеры и вместо полимеров, которые используются в индустрии, берут биосовместимые полимеры и, печатая слои в разных направлениях, делают губку. Сначала это делали из полимеров, твердых как пластик. Потом решили взять вместо пластика гидрогель, потому что в гидрогель можно положить клетки. Но плотность клеток при таком способе низкая.

Наша технология, с использованием тканевых сфероидов, позволяет сразу получить высокую плотность клеток.

К тому же, когда используется линейное поступление, то возможности для организации архитектуры очень ограничены. Хотя ухо таким образом можно сделать. Но мы считаем, что если у вас есть точечные структуры, такие как сфероид, то, как с мозаикой, можно нарисовать все что хочешь. У нас максимальная степень свободы. С точки зрения геометрии и воспроизведения анатомический и гистологической структуры наш подход наиболее продвинутый.

— Поясните, что такое тканевые сфероиды.

— Тканевый сфероид — это группа клеток, 15–20 тысяч, которые контактируют друг с другом и образуют трехмерную структуру.

Они имеют форму шара, и это очень важно с точки зрения биопринтинга, потому что для того, чтобы печатать с высокой точностью, строительные блоки должны быть максимально стандартизированы. Это самая удобная форма.

— Первый прибор в технологической линейке для биопринтинга — это робот, который делает сфероиды?

— Нет. Сначала мы должны взять клетки. Это основная проблема в тканевой инженерии: надо иметь большое количество клеток на определенной стадии дифференцировки. Мы пытаемся использовать клетки из жировой ткани.

Во-первых, если у человека удалить излишки жира, никто по этому поводу не страдает — наоборот. Во-вторых, есть уже по крайней мере две машины, в которые просто бросаешь кусок жира — и через час выделяются аутологические человеческие стволовые клетки в большом количестве.

Эти клетки могут быть дифференцированы в разные линии: хрящ, кость, соединительная ткань — это уже доказано. Некоторые исследования говорят, что можно сделать эктодермальные клетки (кожу, нервные клетки) и эндодермальные (печень), но это пока проблематично. Можно, конечно, получить индуцированные плюрипотентные клетки из биопсии кожи (а китайцы показали, что можно взять клетки даже из мочи и получить индуцированные стволовые клетки). Чтобы их размножить, тоже используются роботы. То есть первый этап — получить большое количество клеток и, желательно, индуцировать их дифференцировку в правильном направлении, сразу или уже в сфероидах — могут быть разные варианты. То есть первая машина — автоматическая сортировка клеток.

Вторая машина — роботический биофабрикатор тканевых сфероидов. Например, машина, которую разработали в США, позволяет делать ямки в гидрогеле: если в них капнуть суспензию клеток, то клетки оседают и в ямке образуют идеальный сфероид. Изменяя число клеток в суспензии и диаметр ямок, можно контролировать размер сфероидов. Но есть ограничения: чем больше диаметр сфероида, тем больше вероятность, что клетки, которые внутри, будут получать меньше кислорода и умрут. Уже есть две компании, в США и в Швейцарии, которые делают бизнес на создании сфероидов. Немецкая компания (Co.don) сделала сфероиды, которые индуцированы в направлении хряща — они их назвали хондросферы. Эти хондросферы ужe проходят клиническое испытание.

— А как заставляют клетки, скажем, из жира, дифференцироваться в специализированные клетки?

— Есть два, даже три варианта. Есть дифференцировка, которая идет сама по себе в правильном клеточном окружении, но, как правило, это не работает. Нужен индуцирующий фактор — это может быть химический, физический или генный фактор. На генный фактор трудно получить разрешение, поэтому сейчас есть уже компании, которые выпускают коктейль ростовых факторов, эти факторы выполняют дифференцировку жировых клеток, скажем, в клетки хряща примерно за три недели. Мы показали, что это можно делать и в сфероидах. То есть мы превращаем сфероиды из стволовых клеток в органоспецифические.

Ну и когда мы сделали достаточное количество сфероидов, следующий этап — это биопринтинг.

Биопринтер — это, конечно, самая главная машина, но ее одной недостаточно. Должная быть вся линейка.

А на последнем этапе нужен биореактор для ускоренного созревания органа.

— Биопринтеры, как я понимаю, уже есть на рынке?

— Есть четыре компании. Две в США, самая известная — это Organovo (San Diego, CA, USA): они не только делают принтеры, но

создают ткани и уже сделали микропечень — маленький кусочек печени, васкуляризированный. Это называется microtissue, и фармкомпании дают им полмиллиона долларов на развитие этого направления.

Другая компания только делает принтеры. Швейцарская компания (RegenHu) уже сделала два биопринтера — один лазерный, другой — диспенсер. Они пытаются коммерциализировать биочернила, но фактически они называют этим словом биобумагу, то есть гидрогель. Есть еще компания в Японии (CyFuse), но у них странная идея: они пытаются сделать орган, как делается шашлык, нанизывают сфероиды на жезлы. Итого, есть компании, которые продают биопринтеры; есть компании, которые говорят, что они могут сделать органы (на первом этапе для фармакологической индустрии); и есть компании, которые хотят использовать сфероиды для диагностики, для моделирования заболеваний и т. д. С этой точки зрения трехмерная биопечать — это уже не фантазия, это реальный бизнес.

Продолжение интервью с Владимиром Мироновым, в котором он представил «дорожную карту» своей научной группы и рассказал о ближайших и перспективных планах.