Напечатать человеческий орган
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.
Новостей о трансплантации людям напечатанных из разных типов клеток органов биотех ожидает более двадцати лет, с тех пор как в 2000 году биоинженер из Университета Клемсона в Южной Каролине (США) Томас Боланд обнаружил, что размер капли чернил для стандартного струйного принтера равен живой клетке, и приспособил свое обычное офисное устройство под печать клетками. Выяснилось, что в процессе печати 90% клеток сохраняют жизнеспособность и функции. Это открытие положило начало развитию нового направления в биотехнологии — 3D-биопечати органов и тканей.
Тогда казалось, что результаты последуют незамедлительно и вскоре в клиническую практику войдут операции по пересадке людям напечатанных на принтерах сердец, печени и почек, на которые катастрофически не хватает донорского материала. Но реальность оказалась прозаичнее. Первый 3D-биопринтер, умеющий создавать трехмерные модели органов из живых клеток, был создан лишь спустя восемь лет после открытия Боланда. В последующие годы производство этих приборов было поставлено на коммерческие рельсы, их стали совершенствовать и адаптировать под печать разных органов.
На сегодняшний день создано три вида принтеров для биопечати (струйные, лазерные, экструзионные), все они имеют свои тонкие настройки, но работают примерно по одному шаблону: укладывают слоями клетки в некую архитектурную форму, которая выстраивается согласно заданной цифровой модели, подобно тому как обычные 3D-принтеры печатают детали из пластика. Только здесь картридж заправляют живыми клетками, которые предварительно берут из биопсии тканей самого реципиента и выращивают до необходимого количества, а в качестве «бумаги», то есть подложки для нанесения «клеточных чернил», используют 3D-матриксы на основе гидрогелей из биополимеров. Клетки капают на матрикс в нужном порядке, и они срастаются друг с другом, образуя объемный живой объект — ткань или орган. Трансплантация напечатанных таким образом «деталей» не вызовет реакции отторжения, так как они созданы из клеток самого реципиента, а значит, родные для его организма.
От простого к сложному
Совершенствование технологий биопринтинга привело к тому, что сегодня с их помощью тысячи лабораторий в университетах и научных центрах по всему миру ведут эксперименты по созданию «запчастей» для человека; сотни частных компаний пытаются освоить биопечать для коммерческих приложений. Но результаты до сих пор были весьма скромные — во всяком случае, не те, на которые рассчитывали на заре развития направления. Биоинженеры научились печатать отдельные органы — кожу, щитовидную железу, мениск, яичники, которые с разной степенью успеха трансплантируются экспериментальным животным, но не людям. Они также создают миниатюрные модели самых разных органов для тестирования на них лекарств и косметики и ткани с дефектами для исследования конкретных заболеваний. Но до главной цели — создания органов для «апгрейда» человека — добрались единицы.
Наибольшим успехом в этой сфере можно считать трансплантацию людям напечатанных на принтере ушных раковин, впервые проведенную усилиями пластических хирургов из клиники при Сианьском университете (Китай), и пересадку созданного с помощью трехмерной печати мочевого пузыря, что несколько раз удалось успешно осуществить команде из Института регенеративной медицины Уэйк-Форест (США).
Но ухо и мочевой пузырь — относительно простые органы. Кожа сложнее для печати, потому что в ее составе несколько типов клеток, которые нужно уложить в правильном порядке, добившись их естественного взаимодействия между собой и окружающими рану тканями.
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. В начале года в Институте регенеративной медицины Уэйк-Форест создана мобильная система биопечати кожи, позволяющая наносить непосредственно на рану слоями кожную заплатку, сформированную из собственных клеток пациента. «Система сканирует и измеряет рану, чтобы поместить клетки непосредственно туда, где они необходимы для создания кожи», — цитирует одного из авторов работы профессора Шона Мерфи ScienceDaily. В качестве основы для «чернил» ученые использовали два типа клеток кожи, взятые у подопытного животного: фибробласты и кератиноциты.
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.
Что с сердцем
От биопринтинга ждут не только успешных пересадок кожи — этот сегмент будущего рынка напечатанных органов не очень большой и подчас не критичный для здоровья пациента. Главный предполагаемый профит технологии — получение трех жизненно необходимых «запчастей»: сердца, печени и почек, из-за нехватки которых в среднем ежегодно умирают 7300 человек, стоящих в очереди на трансплантацию. По данным 2018 года, в одном только Китае в листе ожидания на пересадку органов стояли полтора миллиона человек, в США — 113 тысяч, а в России — 8500 реципиентов. (Статистика не совсем корректна: такие операции проводят далеко не во всех странах, так что самые длинные очереди будут там, где трансплантация органов поставлена на поток. Там, где этого нет, процент нуждающихся вряд ли меньше: люди просто не знают о возможности замены нерабочих органов или такая замена им недоступна — и умирают, пополняя другие пункты статистики.)
Ученые полагают, что создание «дефицитных» органов реально, это лишь вопрос времени. Директор американского Института кардиоваскулярных инноваций Стюарт Вильям считает, что самым первым из «трех китов» организма будет напечатано сердце: «Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой. Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа, — и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца. Некоторые сосуды, как и клапаны, придется печатать отдельно, а затем собирать из них орган».
Есть также основания полагать, что будет создана печень. Пионер и признанный лидер направления биопринтинга в мире американская компания Organovo уже создает трехмерные тканевые конструкции, способные выполнять функции печени, то есть фильтровать питательные вещества, токсины и лекарства.
Сложнее всего будет с почкой — органом, пронизанным миллионами мельчайших кровеносных сосудов толщиной всего несколько микрон, точную структуру которого в трехмерном измерении пока даже невозможно представить. Исполнительный директор Organovo Кит Мерфи полагает, что ученые не смогут напечатать полноценную почку на принтере, а лишь сделают ее тканевую заготовку, которую поместят в биореактор, где будут созданы условия для ее роста, обретения формы и биологической активности. Над печатью почек уже работают в Китае, в частности группа ученых из Университета электроники и техники в Ханчжоу; возглавляющий ее профессор Шу Минген убежден, что первая трансплантация почки, полученной методом биопечати, произойдет примерно к 2030 году.
Успех для рекламы
В России прогнозы не столь дерзкие. 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 (УрФУ) 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. Известно, что эта область исследований получит щедрое финансирование в американских госпрограммах поддержки науки. В январе 2021 года избранный президент США Джозеф Байден, объявляя в Уилмингтоне (штат Делавэр) о назначении ключевых научных советников, сказал: «Представьте себе 3D-принтеры, восстанавливающие ткани после травм, и клиники, печатающие органы для трансплантации. Представьте, а затем сплотите научное сообщество, чтобы сделать это». Задачу активизировать поиск решения проблем биопечати органов Байден поставил в один ряд с необходимостью найти эффективное и безопасное лекарство против рака.
При этом в США есть и существенный «тормоз» для развития клеточных технологий и биоинженерии — жесткий порядок утверждения продукта.
«Если вы хотите представить там новое медицинское устройство, нужно, чтобы хотя бы один из ваших лучших друзей работал в FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. — “Эксперт”) и помог пройти через сложный процесс государственного утверждения продукта», — рассказал руководитель американского стартапа Allevi (производитель биопринтеров) Рики Солорзано в интервью Bel.Biz.
Без пафосных заявлений развивают биопечать в Китае. Не только за счет государственных вложений, но и благодаря лояльному законодательству. Никто точно не знает, сколько китайских лабораторий имеют в своем распоряжении биопринтеры и как их поддерживает государство, но трансплантацию напечатанных органов там уже проводят в клиниках, и, по всей видимости, обороты будут нарастать. Не случайно именно в Китае дают самые оптимистичные прогнозы по срокам массового внедрения в клиническую практику технологий пересадки напечатанных на принтере самых сложных деталей человеческого организма. Они намерены сделать это уже к концу текущего десятилетия.
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.
Рыночные механизмы
Интерес государств к биопринтингу, а также растущее число пересадок напечатанных органов, в клиниках пусть даже относительно простых ушей, сосудов и не очень простой кожи, где бы они ни прошли — в Эмиратах, Европе, США или России, наверняка подогреют интерес инвесторов к соответствующим НИОКР. По оценкам аналитиков Grand View Research, эти факторы наряду с другими — дефицитом донорских органов и проблемами все более стареющего населения с хроническими заболеваниями — будут способствовать росту мирового рынка биопечати органов. Сейчас этот сегмент весьма скромный. В 2020 году он составил всего 1,4 млрд долларов, тогда как весь мировой рынок биотехнологий, по данным той же компании, — 753 млрд долларов. Ожидается ежегодный прирост этой отрасли на уровне 15,8% с 2021 по 2028 год. Таким образом, ближе к концу десятилетия мировой рынок 3D-биопечати доберется до отметки 3,2 млрд долларов. Чуть более оптимистичные прогнозы дают эксперты Reports & Data: по их подсчетам, объем рынка 3Dбиопечати уже к 2026 году достигнет 4,4 млрд долларов, что тоже немного.
Причина в том, что готовые к коммерциализации продукты 3D-биопечати — биопринтеры, биогели, клеточный материал, прототипы органов и тканей для тестирования лекарств и косметики, а также услуги по тестированию — имеют ограниченный спрос. Рики Солорзано из Allevi отмечает, что 80% клиентов его компании — академии и университеты, 20% — представители индустрий. Пока бизнесу непонятно, как можно зарабатывать на 3D-печати живыми клетками.
«Университеты производят данные, поэтому заинтересованы в инструментах, которые в этом помогают. Если ученые научатся преподносить эти данные в виде прорывных идей, у которых есть практическое применение, постепенно биопечать проникнет в различные индустрии, и количество заказчиков из числа бизнеса увеличится», — говорит Рики Солорзано.
Венчурные сделки на этом поле единичны. Известно, что в июле 2020 года инвестиционная компания TMT Investments вложила 200 тысяч долларов в американский стартап Volumetric Biotechnologies, который специализируется на 3D-печати клеточным материалом. Это смешные деньги по меркам американской венчурной индустрии.
Сооснователь фонда Bering Capital, инвестирующего в медицинские и биотехнологии, Евгений Зайцев объясняет низкий интерес на Западе к 3D-биопечати органов тем, что «пока это относительно небольшие и сегментированные рынки, и добиться быстрого прироста стоимости на подобную инвестицию сложно». По его мнению, чтобы компании из этой области стали привлекательными для венчурного инвестора, нужны не только эффективные технологические способы создания органов и тканей, но и новые бизнес-модели.
Основной источник инвестиций в бизнесе — фармацевтическая и косметологическая индустрия, контракты с которой имеют лидеры рынка биопечати. Так, американская Organovo печатает ткань печени для проведения тестов на токсичность лекарств по заказу крупных фармкомпаний, а также сотрудничает с гигантами индустрии сохранения красоты L’Oréal и Merck.
Российскую 3D Bioprinting Solutions поддерживают инвесторы, ассоциированные с группой компаний «Инвитро», а также частные лица. Суммы вложений, как рассказали нам в компании, исчисляются миллионами долларов. Фирма также является резидентом инновационного центра «Сколково» и, соответственно, получает от него поддержку; помимо этого она выигрывает гранты научных фондов.
Больших амбиций по расширению сфер влияния на формирующемся рынке ни у мировых, ни у региональных лидеров, видимо, нет. Пока ученые не отыскали «святой Грааль» — путь к созданию и пересадке напечатанных на принтере сложных органов и тканей человеку, рынок в этом сегменте будет развиваться невысокими темпами и большие деньги из частного сектора в эту индустрию не придут. Основная коммерциализация начнется тогда, когда в клиниках будут массово проводиться операции по замене поврежденных органов напечатанными аналогами. Маленькие успехи по пересадке кожи человеку, безусловно, повысят доверие к этой технологии в мире и воодушевят как биоинженеров, так и инвесторов.
Фото: ALAMY/TASS; ZUMA\TASS
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl