Зачем России микрофлюидика
Изучение закономерностей поведения жидкостей и газов, движущихся по узким каналам в микрочипах, привело к появлению новой, коммерчески перспективной отрасли технологий
Главные достижения науки ХХI века не в последнюю очередь связаны с миниатюризацией всевозможных устройств и процессов. Одним из таких принципиальных прорывов в микромир наряду с квантовыми и нанотехнологиями стала микрофлюидика. «Эксперт» обратился к исследователям и бизнесменам, чтобы разобраться, что новое направление может дать людям и стране в целом, как растет рынок микрофлюидики и когда на нем появятся отечественные разработки.
В мире на фоне декарбонизации начался процесс перехода от крупнотоннажной химии к более тонким наукоемким продуктам и миниатюрным химическим процессам, дающим на выходе небольшое количество зачастую уникальных веществ. Четвертого сентября президент России поручил правительству организовать господдержку производства малотоннажной химии, и сейчас уже принята дорожная карта по развитию отрасли до 2030 года. В рамках программы создан перечень из 61 «вытягивающего» проекта — через десять лет они должны обеспечить выпуск продукции на 240 млрд рублей. Важную роль в этом процессе сыграет микрофлюидика.
Микрофлюидика, или микрогидродинамика, — это междисциплинарная область науки, которая изучает закономерности поведения жидкостей и газов, движущихся по узким каналам внутри герметичных миниатюрных устройств — микрочипов. Она начала формироваться в 1980-х годах, но серьезное развитие получила только в 2010-х. Кроме того, это отдельное направление развития технологий и новый складывающийся рынок. Микрофлюидные чипы и реактивы уже применяются в медицине, фармацевтике, химической промышленности и других сферах.
Практически все крупные мировые микрофлюидные компании появились в последние два десятилетия. Создаваемые ими микрофлюидные системы — компактные устройства, оперирующие очень малым количеством жидкости (нано- или микролитровыми объемами). В основе таких систем лежит микрофлюидный чип — сеть микроканалов (размер как минимум одного канала находится в микрометровом диапазоне), вытравленных или отлитых в материале подложки — стеклянной, кремниевой или полимерной. Жидкости в этих каналах подчиняются особым законам. Микроканалы соединяются для смешивания, перекачки, сортировки или контроля биохимической среды. Связь с внешним миром осуществляется с помощью входов и выходов, через которые в чип вводятся и удаляются из него жидкости или газы.
Микрофлюидные технологии позволяют работать с крошечными пузырьками и каплями, кристаллическими и полимерными частицами, отдельными клетками. Причем в процессе можно наблюдать за изучаемыми объектами, манипулировать ими, контролировать протекающие процессы. Реакции проходят в закрытых системах, где смешивание исключено, а объемы реагентов минимальны. Поэтому в миниатюрном формате удается как выполнять традиционные исследования, так и проводить прежде невозможные анализы, например обеспечивая условия для изоляции и изучения клеток или молекул в каплях малых объемов.
Благодаря комплексному научному подходу микрофлюидные системы уже нашли массу применений. В частности, на их основе могут работать охлаждающая система в высокопроизводительных микросхемах, микрореакторы для лучшего смешивания реагентов, устройства для роста кристаллов белков, диагностические биочипы с возможностью определения одновременно нескольких элементов в составе исследуемого вещества. Принципы «капельной» микрофлюидики используются при производстве косметических средств на основе эмульсий, синтезе наночастиц, мониторинге окружающей среды.
Микрофлюидика позволяет создавать близкие к физиологическим условия для культивирования клеток разных типов. Такие устройства, известные как «органы-на-чипе», способны непрерывно отслеживать различные параметры с помощью встраиваемых датчиков, помогая разрабатывать релевантные модели для изучения развития органов и их патологий, тестировать препараты, проверять способы лечения. Это важно не только в медицине: например, система «легкие-на-чипе» дает возможность формировать новые стратегии оценки атмосферных загрязнителей. А благодаря методике «лаборатория-на-чипе» удается создавать разнообразные миниатюрные высокоточные аналитические системы.
«Лекарство, проходя через печень, может модифицироваться и стать токсичным для сердца. Поэтому задача микрофлюидики в биомедицине — сделать “организм-на-чипе”, модель, где все органы будут представлены вместе. Да, у лабораторного животного тоже есть все органы, но они функционируют с другими белками, чем у нас, что затрудняет перенос результатов исследования на людей», — объясняет Евгений Князев, старший научный сотрудник лаборатории микрофлюидных технологий для биомедицины Института биоорганической химии.
Сегодня уже применяются устройства для целевой доставки лекарственных средств, основанные на эффектах микрофлюидики, — например, инсулиновая помпа. Есть технологии и для диагностики множества биомаркеров, таких как опухолевые клетки или белки из крови пациентов. Спрос на диагностические инструменты на основе микрофлюидики подстегнула пандемия COVID-19 — в частности, стал широко использоваться метод ПЦР, а время получения результатов анализа сократилось на порядок.
До недавних пор все оборудование в этой сфере было импортным. Однако теперь в России начинается производство собственных насосов и реакторов. С их помощью отечественные компании смогут выпускать фармацевтические субстанции, косметику, агрохимическую продукцию (например, гербициды и фунгициды), нефтехимию, химреактивы.
Химия будущего
Микрофлюидные технологии и устройства могут стать незаменимыми инструментами в исследовании, моделировании и визуализации процессов, используемых в нефтегазовой промышленности — например, при изучении распространения жидкости и газа в пористых средах или при гидроразрыве. Но самые важные применения связаны с синтезом и производством веществ.
Сейчас на долю микрогидродинамики приходится только 1,5% общего объема химического производства в мире, но, по мнению экспертов, микрофлюидика может занять заметное место в секторе малотоннажной химии. В России это направление только формируется. Так, по словам председателя совета директоров ГК «Титан» Михаила Сутягинского, компания прорабатывает вопрос использования микрофлюидных технологий при производстве востребованной продукции малотоннажной химии в рамках импортозамещения — для получения средств защиты растений, лекарств и их компонентов, полимерных соединений. По словам Сутягинского, преимущества микрореакторных установок в том, что они легко масштабируются, в них можно безопасно проводить химические реакции при практически любых температурах и давлении, а синтез идет без образования побочных продуктов.
«Такой компактный модуль занимает небольшую площадь, его строительство требует меньших вложений, чем организация полномасштабного производства. Микрофлюидика обеспечивает дополнительную безопасность, экологичность, энергоэффективность процесса. Совокупность этих факторов позволяет снизить себестоимость и улучшить качество выпускаемой продукции», — говорит Михаил Сутягинский.
Но есть и ограничения. Как отмечает президент Российского союза химиков (РСХ) Виктор Иванов, это в первую очередь связано с незначительным количеством получаемого конечного высокочистого продукта, что отлично подходит для фармацевтики, но не для большинства других отраслей экономики. К тому же развитие микрофлюидики в стране тормозит недостаточная научная и технологическая база. По мнению главы РСХ, перспективными такие сложные направления могут стать лишь при поддержке государства.
Новая эпоха в фармацевтике
Фармацевтика сейчас стремительно меняется: все большее место в ней занимает совершенно новый класс медикаментов — «живые лекарства», не отдельные молекулы, а иммунные клетки, генетически запрограммированные на выполнение определенных задач. Буквально на днях за разработку таких клеток, предназначенных для распознавания и уничтожения раковых опухолей у человека, Карл Джун и Мишель Саделен получили «научного “Оскара”» — Breakthrough Prize, самую престижную премию в науке.
Чтобы разобраться в сути этих перемен и роли в них микрофлюидики, «Эксперт» обратился к Кириллу Пескову, директору консалтинговой компании M&S Decisions, помогающей фармацевтическим фирмам разрабатывать новые лекарства.
— Так ли важна для России разработка собственных оригинальных лекарств?
— Лекарства — продукт первой необходимости: они лечат болезни. А кроме того, фармацевтика, разработка препаратов — это часть тех самых биотехнологий, которые станут основой следующего технологического уклада. Начинается новый этап научно-технической революции. Биотехнологии играют все большую роль, и, если не развивать данную сферу, будет как с микрочипами: мы окончательно потеряемся в новом, формирующемся сейчас мире.
— Можно ведь и за нефть лекарства купить?
— В условиях санкций удастся купить уже далеко не все. Параллельный импорт не работает с высокими технологиями, которыми владеет один поставщик, а именно такая ситуация складывается с оригинальными лекарствами. Способность создавать собственные препараты имеет огромное значение для суверенитета. Представьте, насколько тяжелее были бы последствия ковида, если бы у нас не было «Спутника», а были бы только малоэффективные вакцины, сделанные по старым технологиям. Вышло бы как в Китае: эффективность их вакцин в районе 20 процентов, а у тех, что сделаны на современных технологических платформах, — «Модерны», «Пфайзера», «Спутника» — уже около 90 процентов.
— Какое место занимают микрофлюидные технологии в мировой фармацевтике? В каких странах они наиболее развиты?
— Конечно, лучше всего они развиты в США и Европе, где расположены ключевые лаборатории и стартапы. Сейчас такие технологии используются в первую очередь в доклинических исследованиях лекарств, чтобы удешевить и сократить необходимые процедуры. Разработка оригинальных инновационных препаратов — очень консервативная область, которая складывалась десятки лет. Она включает большой и четко определенный набор исследований — сначала доклинических, на первых этапах даже in vitro, «в пробирке», потом на животных. А дальше идут несколько фаз клинических исследований, которые проводятся уже на людях. До пациентов лекарство доходит в среднем через десять-двенадцать лет. Микрофлюидика заменяет ряд доклинических исследований, экономя медикам время, деньги и жизни животных.
Уменьшить необходимый набор процедур, заменив опыты на животных экспериментами in vitro, — первоочередная цель при разработке препаратов. Другая задача — сделать доклинические исследования более информативными, чтобы на самых ранних этапах разработки, еще «в пробирке», получать необходимую для принятия решений информацию, о том, поможет потенциальное лекарство больным или нет. Микрофлюидика позволяет имитировать на чипе те или иные физиологические процессы.
— Например?
— Например, она может показать, будет ли новый препарат поступать в нужный орган. Допустим, вы разрабатываете вещество для лечения нейродегенеративных заболеваний. Чтобы препарат попал в мозг, ему нужно пройти через гематоэнцефалический барьер, который, в принципе, не пропускает крупные молекулы из крови в мозг. И чтобы понять, сможет ли лекарство этот барьер преодолеть, надо провести «доклинику». То же касается плацентарного барьера у беременных. Иначе получится, что вроде бы вы все придумали, сделали молекулу, которая прекрасно связывается с перспективной мишенью, а в итоге проект проваливается, потому что вы не учли всех фармакологических свойств препарата. Микрофлюидные методики выявляют подобные проблемы на очень ранних этапах, позволяя сразу отсеять неперспективные варианты.
— А из многих вариантов приходится выбирать?
— Бывает, что и из миллионов, если речь идет о малых молекулах, — для выбора используют методы высокопроизводительного скрининга и искусственного интеллекта. Но существуют разные типы лекарственных средств, и сейчас фармацевтика так бурно развивается, что классический стереотип, согласно которому лекарство — это малая молекула, сделанная при помощи химического синтеза, уже уходит на второй план: его потеснили новые технологические платформы. Из тех препаратов, которые сейчас находятся на ранней стадии разработки, только 30 процентов — это химия, малые молекулы. А 70 процентов — биопрепараты: генетические терапии, генно-модифицированные клетки, биспецифичные антитела, малые интерферирующие РНК…
— Что ждет российский рынок микрофлюидики, каких объемов он может достичь в ближайшее десятилетие?
— Микрогидродинамика решает узкоспециализированные задачи в разработке лекарств, поэтому пока сложно сказать, какой на нее будет спрос. Повторю, создание препаратов — очень консервативная область, добиться даже изменения процедур их регистрации очень трудно. А внедрять новые технологические платформы намного сложнее.
На Западе этот рынок уже существует. У нас его практически нет, хотя я знаю, что есть несколько активно развивающихся лабораторий с очень интересными разработками в данной области. Сейчас в микрофлюидике множество интересных идей, но они еще не превратились в коммерческие продукты.
Микрофлюидный рынок
По данным Data Bridge Market Research, мировой рынок микрофлюидики, объем которого в 2022 году составлял 23,17 млрд долларов, к 2030 году достигнет 70,93 млрд при среднегодовом темпе роста 15,01%. Аналитики сходятся во мнении, что на текущий момент самым быстрорастущим рынком является Азиатско-Тихоокеанский регион, а самым крупным — Северная Америка.
По типу продукции рынок делится на микрофлюидные устройства и компоненты для них: чипы, датчики и контроллеры потока и давления, микроклапаны, микронасосы, микроиглы и т. п. Главные конечные пользователи — больницы и диагностические центры (этот сегмент сейчас доминирует), академические и исследовательские учреждения, био- и фармкомпании.
Рост рынка микрофлюидной техники в США и Китае связан со значительной государственной поддержкой компаний и организаций, расширением инфраструктуры, ростом потребности населения в качественных медицинских услугах. По мнению экспертов, России тоже нужны программы государственного финансирования для развития отрасли, создания оборудования, поддержки организаций, предлагающих микрофлюидные продукты и технологии. Возможно, все это необходимо учесть в дорожной карте программы «Фарма-2030».
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