Почки быстрого приготовления

Сердце — один из самых простых органов для биопечати

Трехмерные принтеры обещают человечеству революцию в самых разных областях: дизайне, строительстве, инженерии, моде. Но самая интригующая область их применения — это медицина. До сих пор не верится, что человеческий сустав можно… напечатать примерно так же, как мы распечатываем годовой отчет или курсовую работу. А ведь в относительно скором будущем ученые собираются начать создавать таким образом почки и другие важные органы. Корреспондент «Русского репортёра» побывал в первой российской частной лаборатории биопринтинга и узнал, что нужно делать, чтобы спасти миллионы людей.

Александр Юрьевич Островский, генеральный директор лаборатории 3D Bioprinting Solutions, основатель бренда «Инвитро»

В маленькой лаборатории 3D Bioprinting Solutions на большом экране компьютера наблюдаю процесс печати. Струйка за струйкой какая-то мутная масса, похожая на вазелин, вырисовывает привычные очертания человеческого уха. Полоски геля ложатся друг на друга, и вот уже под форсунками 3D-биопринтера появляется объемная ушная раковина стандартной величины.

— Это не наше ухо! — доносится сзади взволнованный голос. Не успеваю обернуться, как человек в белом халате уже оказывается у компьютера и останавливает видеозапись, — мужчина поправляет халат и становится передо мной, полностью загораживая монитор. — Меня зовут Дмитрий Фадин, директор по развитию лаборатории.

— А чье оно? — я непроизвольно вытягиваю шею, чтобы все-таки заглянуть за его спину.

— Из лаборатории Института регенеративной медицины Университета Уэйк-Форест в Северной Каролине, которой руководит доктор Энтони Атала. Этот человек — пионер в деле создания живых тканей в искусственных условиях, он первый вырастил человеческий мочевой пузырь, который позже был пересажен пациенту. Но только у них принтер двухфорсунчатый, а мы сейчас разрабатываем пятифорсунчатый — он даст возможность отливать формы более сложные и делать это намного быстрее: на изготовление почки взрослого человека будет уходить не больше получаса. — После разъяснительного монолога Дмитрий наконец-то отступает от монитора.

— Когда вы начнете что-то печатать? — оглядываю я комнату. В ней очень чисто и пахнет стерильностью, посреди большой светлый стол с компьютером, маркерная доска с какими-то расчетами и графиками. В углу полутораметровый стеклянный куб, предназначение которого мне неизвестно.

— К осени этого года принтер будет готов, тогда напишем к нему программу… — Дмитрий осекается. — Но на самом деле то, что вы видели, нельзя назвать готовым ухом. Напечатать орган на принтере, пусть даже из живых клеток, еще полдела.

— В чем же тогда вторая половина этого дела?

— Ну, я неправильно выразился. Скорее печать — это малая толика главного, а все остальное и более сложное будет дальше… Вы сейчас поймете — пойдем, я вам всю лабораторию покажу, — он пропускает меня вперед.

— Печатать органы ведь не статуэтку из искусственного материала отливать. Биопечать — это работа с человеческими клетками, которые не слипаются так просто, как расплавленный пластик. Чтобы ими вообще можно было печатать, наши сотрудники вот здесь создают из них биочернила и биобумагу, — Дмитрий открывает дверь.

Владимир Александрович Миронов, научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions

Клеточный коктейль

Красные кружочки, идеально гладкие, выстроены в несколько ровных рядов на темном фоне, их очень много. Это я наблюдаю в первом микроскопе. Заглядываю в другой прибор — там почти такие же, но зеленые и с растрепанными краями, похожи на кактусы.

Здесь, где столы уставлены стеклянными колбами и какими-то аппаратами с мигающими лампочками, мне разрешили в максимальном приближении оценить результаты работы с живыми клетками.

— Эти шарики называются сфероидами — тканевые конструкты, которые состоят из нескольких тысяч клеток. Это основной строительный материал живых тканей и органов. Из них и делаются биочернила, которые слоями будут ложиться на скрепляющий элемент, биобумагу — основу из натуральных материалов, которая растворится в напечатанном органе. Мы решили отойти от печати именно клетками, — Дмитрий выводит на экран компьютера изображение с микроскопа. — Вот эти зеленые шарики неровные, потому что они еще не откапсулированы гелем. Они сейчас представляют собой чистые клеточные образования, которые мы потом покрываем гелевой оболочкой и подгоняем их все под одинаковую величину и форму. А вот красненькие уже одеты в гель — видите, какие они ровные. Мы делаем сфероиды разноцветными при помощи растворов, потому что в них содержатся клетки разного типа и нам нужно отличать их друг от друга.

— Почему лучше печатать сфероидами, а не клетками?

— Так у нас получится печатать сразу большим количеством клеток: в одном сфероиде их может содержаться порядка 6 тысяч. А еще это более физиологичный способ: клетки, прежде чем образовать ткани, сами собираются в сфероидные структуры. И тут мы предвосхищаем их естественное поведение, на шаг опережаем.

Я снова прилипаю к приборам. Цветные сфероиды, особенно если покрутить стекло, на которое они нанесены, напоминают горошинки, перекатывающиеся в калейдоскопе.

— Зачем сфероиды обязательно должны быть одинаковой формы и размера? — не отрываюсь я от картинок.

— Представьте, что вы построили дом из булыжников. Он будет крепким, но при этом, скорее всего, очень неровным, из щелей может сильно сквозить. Если же вы решите складывать дом из кирпичей, вам будет проще, а дом получится надежнее. Так вот орган — это как дом. Он состоит из клеток нескольких типов, в каждом из которых клетки разной величины: они как разные булыжники. Но вот когда мы объединяем клетки в сфероиды, мы создаем из них одинаковые кирпичики. Мы просчитываем, сколько каких клеток нужно сложить в сфероид, чтобы он оставался той же формы, что и остальные. В одном сфероиде может быть 2 тысячи клеток эпителиальных, в другом 6 тысяч клеток нервной ткани. И вот мы ищем нужные пропорции.

— Похоже на коктейль…

— Да, именно, мы, как бармены, смешиваем ингредиенты, чтобы сделать разные органы, миксуем разные клетки. Первым органом, который мы напечатаем, будет печень. Поэтому сейчас мы делаем сфероиды из двух типов клеток печеночной ткани и сосудистых клеток, а потом в процессе печати их смешаем.

Александр Митряшкин, инженер Лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions

Безопасный жир

«Он повернул развитие вспять» — так про японского ученого Синъя Яманаку говорил весь мир, когда в 2012 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Ему удалось при помощи генов перепрограммировать взрослые клетки соединительной ткани человека, неспособные перерождаться в другие типы, в стволовые клетки — те самые плюрипотентные, подобные эмбриональным стволовым, из которых впоследствии может развиться множество различных тканей организма.

Вслед за Яманакой ученые из множества лабораторий стали проводить свои эксперименты и научились перепрограммировать кровяные клетки, клетки печени и нервной ткани. Ученые из лаборатории 3D Bioprinting Solutions тоже взяли за основу эту методику и теперь добывают стволовые клетки из жировой ткани.

— Это просто несколько сотен шагов вперед в деле регенеративной медицины, — говорит Фадин. — Помните, не так давно ученых всего мира упрекали в безнравственности за эксперименты со стволовыми клетками, потому что их получали из абортивного материала или из эмбрионов, которые оставались после искусственного оплодотворения. И во многих странах ввели запрет на получение стволовых клеток. А теперь можно добывать их с чистой совестью: эмбрионы больше не нужны, мы берем аутогенные, то есть собственные клетки пациента, и их индуцируем — превращаем в стволовые. Ну а дальше еще один важный переход — мы их дифференцируем в клетки той ткани, которую нужно напечатать: сосудистой, нервной, например.

— А как быть с высоким процентом появления раковых клеток после такого перепрограммирования? Яманака писал об этом в «Nature», этот метод пока очень опасен.

— Это так. Но японский профессор использовал в своем эксперименте человеческие фибробласты — клетки соединительной ткани. И менял в них генный ансамбль определенным способом. На основе его методики появилось множество ответвлений, и есть уже ряд технологий более безопасных. Вообще эта проблема из ряда задач, решаемых в очень близком будущем. Мы, например, начали использовать жировую ткань, которая является наименее онкогенной при перепрограммировании.

Кровь и нервы

В лабораторию вбегает еще один ученый, лысый и невысокий., с добрыми глазами и, надеюсь, с такими же намерениями.

— К клеточкам заходили? — быстро спрашивает он Дмитрия и исчезает в комнате, где я несколько минут назад смотрела на сфероиды под микроскопом.

— Да, но мы очень осторожно, Сергей! — кричит ему вдогонку Фадин и полушепотом обращается ко мне: — Это доктор Новоселов, он заведующий нашей исследовательской лабораторией. Не обращайте внимания на то, что мы такие нервные. Только-только начали получать результаты работы. У нас просыпается практически родительский инстинкт. — Дмитрий улыбается и разводит руками. — Не знаю, мы как-то меняемся, когда здесь появляется посторонний. Оберегаем разросшиеся колонии стволовых клеток, как свое потомство.

— Да вы не бойтесь меня, — Новоселов выглядывает из комнаты уже совсем подобревший. — Я вижу, что вы молодцы: ничего не попортили. Заходите!

Доктор выключает в комнате свет и оставляет только настольную лампу, под которой разглядывает что-то в чашке Петри.

— М-м-м, это сфероиды с клетками кровеносных сосудов, — глядя на измазанную розоватой жидкостью стекляшку, как кот на сливки, доктор почти промурлыкал эти слова. — Должны нам очень помочь…

— Чем? — вторглась я в этот то ли монолог, то ли интимный диалог ученого с чашечкой Петри.

— Васкуляризация искусственно созданных органов. Это то, над чем сейчас во всем мире бьются ученые, занимающиеся выращиванием живых тканей. — Новоселов поднял на меня глаза: — Иными словами, это проведение сосудистого русла сквозь структуру органа, чтобы он полноценно подпитывался всеми необходимыми веществами через кровь. Конечно, в лабораторных условиях уже создают органы с сосудами, это технология выращивания клеток на матриксе — каркасе. Это когда берется здоровый донорский орган, из него специальными растворами вымывается все содержимое, исключая сосуды, а потом этот вот сосудистый каркас засеивается клетками пациента.

— Но ведь проблема отсутствия доноров в этом случае не решается: все равно нужен кто-то, у кого можно взять здоровую почку и переделать ее в другую.

— Верно, таким переделыванием решалась только проблема отторжения у пациента донорского органа. Орган на матриксе почти целиком сделан из собственных клеток пациента и хорошо принимается организмом. Так вот сейчас ученые из Осакского университета и их коллеги из Бристольского университета предложили печатать на 3D-биопринтере сфероиды сразу нескольких типов клеток, включая сосудистые. Мы тоже работаем над этим способом, и есть очень большая вероятность, что, когда орган будет напечатан, сосуды начнут в нем развиваться сами, как и все остальные клетки. Если получится с сосудами, таким же образом попробуем заселить в орган и нервные окончания.

Искусственная утроба и голая мышь

Большой стеклянный куб в первой комнате оказался стерильным колпаком, под который поместят 3D-биопринтер.

— А куда будут деваться органы, когда они будут напечатаны? — спрашиваю я Дмитрия, обходя вокруг этой огромной стеклянной коробки. — Вы ведь сами говорили, что напечатанный орган еще не готовый продукт.

— Да, клеткам надо будет срастись, органу созреть. Это займет около месяца.

— И где органы будут зреть целый месяц?

— В биореакторе. Мы установим его прямо под принтером. Это такой инкубатор, можно сказать, искусственная утроба, в которой будут поддерживаться температура, влажность, оптимальные для органа, и главное, будет обеспечиваться перфузия — питание органа всеми необходимыми веществами. Сейчас есть множество биореакторов для разных задач. Аппарат, какой нам нужен, есть в Университете Бен-Гуриона в Израиле. Мы сотрудничаем с ними и, скорее всего, позаимствуем их технологию. В общем, после того как месяц новый орган проведет в инкубаторе, его можно будет пересаживать человеку. Но первая печень, которую мы создадим, будет маленькой, и мы протестируем ее в естественном биореакторе.

— Это кто-то живой?

— Ага, это голая мышь — лабораторная, специально выведенная, с полным отсутствием иммунитета. Это почти то же самое, что инкубатор, ведь у нее нет защитных механизмов, которые будут атаковать только что пересаженные и еще неразвитые клетки. А еще, когда у нас появится большой искусственный биореактор, мы будем выращивать органы не только для трансплантации, но и для испытания на них новых лекарственных препаратов. Многие лекарства больше не нужно будет испытывать на людях.

Елена Буланова, заведующая лабораторией клеточных технологий

Человек не тетрис

— Напечатанные почки могут получиться треугольными, а печень квадратной, а сердце в виде ромбика, — увлеченно перечисляет Дмитрий.

С каждым новым пунктом человеческий организм все больше напоминает мне детский конструктор с геометрическими фигурами.

— Разве это нормально? — пытаюсь остановить полет его фантазии.

— Вполне, главное — добиться максимальной функциональности органов: чтобы печень работала именно как печень, вырабатывала билирубин, желчные кислоты. А на что она внешне будет похожа, это и неважно.

— Но ведь человеческий организм неспроста устроен так, как он устроен.

— Ну, во-первых, органы у разных людей далеко не одинаковой формы: у кого-то почки более вытянутые, у кого-то, наоборот, приплюснуты. Они и так разные, и это не мешает им работать как надо. Если, конечно, нет функциональных патологий. А во-вторых, человек же не тетрис. Если орган будет немного странной формы, он все равно встроится в общую систему, потому что организм — подвижная и эластичная конструкция.

— Вы собираетесь печатать все органы, востребованные сегодня для пересадки?

— Да. Но пока главная цель — создать человеческую почку, потому что это самый востребованный для трансплантации орган. Около 90% людей во всем мире, стоящих в очередях на пересадку, нуждаются именно в почках. Всего таких больных сегодня насчитывается около трех миллионов. Среди них дети, которые умирают прямо в этих очередях, не дождавшись. И все эти люди надеются, что где-то скоро погибнет здоровый человек, от которого может достаться полноценная почка. По-моему, это весомый повод. А еще почка — один из самых сложных органов, структура у него намного более запутанная, чем у печени.

— И когда вы начнете печатать полноценные органы?

— Пока предполагается, что почка в нашей лаборатории будет создана лет через тридцать. Но это без учета того, что мы или кто-то из наших партнеров из Университетов Израиля, Австрии, США, Бразилии или Японии можем внезапно сделать открытие в области клеточной биотехнологии, которое ускорит нашу работу. Тогда сроки появления первых полноценных 3D-органов могут стать ближе.

Алёна Лесняк для «Русского репортёра»