Российская компания «3Д Биопринтинг Солюшенс» первой в мире напечатала органный конструкт щитовидной железы мыши. Официальный доклад об этом был представлен 8 ноября на международной конференции Biofabrication 2015 в городе Утрехт, Нидерланды.

Лаборатория биотехнологических исследований “3Д Биопринтинг Солюшенс” была основана генеральным директором Независимой лаборатории «Инвитро» Александром Островским в феврале 2013 года как частное учреждение для исследований в области трёхмерной биопечати.

Генеральный директор «3Д Биопринтинг Солюшенс» Александр Островский (фото: invitro.ru).
Генеральный директор «3Д Биопринтинг Солюшенс» Александр Островский (фото: invitro.ru).

Конструкт щитовидной железы был создан из собственных клеток мыши с использованием первого российского биопринтера FABION (производное от слов Fabrication и BIO) 15 марта текущего года. Его структура соответствует нормальному строению органа. За полгода наблюдений было подтверждено, что он восстановил функцию щитовидной железы у животных с экспериментальным гипотиреозом.

«Это несомненный прорыв в области регенеративной медицины, — комментирует научный руководитель лаборатории, к.м.н. Владимир Миронов. – Мы успешно продемонстрировали возможности созданного в компании первого российского биопринтера. И при этом продолжаем проводить работы по валидации, систематически тестируя и оптимизируя нашу технологию трехмерной органной биопечати».

Щитовидная железа была выбрана сразу по нескольким соображениям. Во первых, этот орган имеет объёмную, но достаточно простую структуру. Поэтому он удобен для апробации методов 3D-биопечати и контроля результата в научно-исследовательских работах. Во-вторых, заболевания щитовидной железы встречаются довольно часто, а биопечать может предложить новые подходы к их лечению. По статистике только в России и только от онкологических заболеваний щитовидной железы ежегодно страдают порядка пяти тысяч человек. В мире же более чем у 665 миллионов человек наблюдаются различные патологии щитовидной железы, и многие из них не поддаются консервативному лечению.

Владимир Миронов выступает с докладом на конференции Biofabrication 2015 (фото: www.bioprinting.ru).
Владимир Миронов выступает с докладом на конференции Biofabrication 2015 (фото: www.bioprinting.ru).

Существует несколько подходов к получению органов для трансплантации, и биопечать – самый перспективный из них. В ней применяются только собственные клетки пациента, не требуются плотные каркасные элементы и полностью отсутствуют типичные этические проблемы трансплантологии. Биопечать не связана с использованием донорских органов животных и умерших людей, суррогатным материнством, выращиванием анэнцефалов на органы и другими сомнительными практиками.

Биопечать также экономически выгоднее, поскольку её себестоимость будет снижаться по мере автоматизации процесса, развития методик и увеличении объёма заказов. Использовать роботизированные установки уже в ближайшей перспективе можно на каждом этапе создания органа.

3D-биопринтер FABION (фото: bioprinting.ru).
3D-биопринтер FABION (фото: bioprinting.ru).

Первый этап – получение донорских клеток. Их можно брать практически из любой ткани (например, из жировой), после чего индуцировать их дифференцировку в заданном направлении. Это не теоретическая модель, а уже существующие методики.

Второй этап – получение тканевых сфероидов. После автоматической сортировки созданных на первом этапе клеток они попадают на молд – (агарозную заготовку с углублениями определённого размера) и заливаются в него. Из-за использования неадгезивной поверхности молда клетки собираются в шарики. Каждый сфероид содержит 10 – 20 тысяч клеток, а в органном конструкте контактирует сразу со многими соседними. Этим достигается высокая плотность клеточной структуры – ключевой фактор, от которого зависит качество напечатанного органа и его функциональные возможности.

Альтернативные варианты биопечати используют скаффолды – временные опорные конструкции, удерживающие клетки. Они должны постепенно разрушаться по мере того, как клетки синтезируют собственный матрикс, однако синхронизации этих процессов трудно добиться. Кроме того, скаффолды не дают необходимой плотности клеток, а первые результаты их клинического применения вне ожоговых центров выглядят неубедительно.

Биопечать с использованием скаффолдов активно обсуждалась в последние два года. Статья хирурга Паоло Маккиарини в журнале «The Lancet» об успешной пересадки напечатанной трахеи выглядела прорывом. Теперь независимые эксперты Каролинского института расследуют обвинение «пионера регенеративной медицины» в фальсификации результатов. Ими установлено, что вскоре после публикации статьи о прорыве скончался первый пациент (проведя последние 8 месяцев жизни в больнице), а второй не прожил и полгода. По предварительным данным у обоих развился стеноз трахеи вследствие нарушения клеточной миграции.

Коллектив лаборатории "3Д Биопринтинг Солюшенс" (фото: invitro.ru).
Коллектив лаборатории “3Д Биопринтинг Солюшенс” (фото: invitro.ru).

Метод тканевых сфероидов лишён недостатков технологии биопечати с временными поддерживающими структурами. «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», – комментирует Владимир Миронов в интервью изданию «Газета.ру».

На третьем этапе происходит собственно процесс биопечати. Это термин был использован российскими исследователями, ныне работающими в «3Д Биопринтинг Солюшенс» ещё в 2003 году в совместной публикации. Помимо слова «bioprinting» в ней встречались «organoprining» и «bioink» – c расшифровкой определений, как этого требует научный формат публикаций. Сегодня же эти термины взяли на вооружение Organovo и другие зарубежные компании, каждая из которых утверждает, что именно она стояла у истоков технологии.

Биопечать в целом похожа на струйную, с той лишь разницей, что вместо капель чернил из микросопел вылетают тканевые сфероиды. Плоские структуры, вроде кожи или хряща уже создавались коллективами разных лабораторий. «3Д Биопринтинг Солюшенс» смогла сделать следующий шаг – перейти к объёмной печати и провести экспериментальное подтверждение функциональности напечатанного органа.

Лаборатория «3Д Биопринтинг Солюшенс» (фото: invitro.ru).
Лаборатория «3Д Биопринтинг Солюшенс» (фото: invitro.ru).

Исполнительный директор лаборатории биотехнологических исследований «3D Биопринтинг Солюшенс» Юсеф Хесуани разделяет органы на четыре уровня сложности с точки зрения современной технологии биопечати. Первую группу составляют «плоские» структуры без выраженной дифференцировки клеток – кожа, хрящ, кость. Вторую – трубчатые органы, (трахея, сосуды). Третью – полые органы нетрубчатого строения (желудок, мочевой пузырь, матка). Четвёртая – паренхиматозные органы (почка, печень).

«Доклады в Утрехте говорят о быстром развитии отрасли и вовлечении специалистов из разных областей, – отметил Юсеф Хесуани, – Биопринтинг является мультидисциплинарной технологией и наша работа была бы невозможна без высокопрофессионального коллектива компании и сотрудничества как с российскими, так и зарубежными лабораториями. Очередное наше достижение вселяет уверенность в решении более сложных задач».

В медицине всегда с осторожностью относятся к новым методам. Поэтому пока рано говорить о биопечати с использованием тканевых сфероидов в клинической практике. Потребуется выполнить ещё множество исследований, прежде чем пациентам смогут менять органы как запчасти.