2050 год. Люди научились растить человеческие органы в специальных инкубаторах. Человечество больше не боится болезней — ведь любой орган можно создать искусственным путем и пересадить... Еще несколько лет назад такой сюжет можно было встретить лишь в фантастических рассказах. Теперь благодаря технологии 3D-биопринтинга это почти реальность.
Сложно поверить, но уже сейчас ученые могут распечатать, скажем, кровеносный сосуд примерно так же, как электронный билет на поезд или дипломную работу. Созданные с помощью технологии тканевой инженерии ухо, кожа, трахея — все это реалии сегодняшнего дня. Причем это не протезы, а настоящие, состоящие из человеческих клеток, образцы тканей. А к 2019 году японские исследователи пообещали воспроизвести и пересадить человеку выращенную из его же клеток печень.
Доживем ли мы до того момента, когда будем менять отказавшие органы, есть напечатанные на биопринтере отбивные и носить плащи из созданной искусственным путем биокожи, «МК» выяснял вместе со специалистами единственной в России лаборатории, занимающейся биопечатью. Недавно здесь состоялось серьезное открытие — ученым впервые удалось напечатать щитовидную железу мыши.
«А печень, когда смогут напечатать живую печень?..» Почему-то вопрос о судьбе этого органа волнует журналистов больше всего.
Чтобы объяснить, какие части живого организма ученым уже удалось воспроизвести, а какие только в проекте, Юсеф Хесуани, исполнительный директор лаборатории биотехнологических исследований «3D Биопринтинг Солюшенс», предлагает разделить органы по сложности их печати на четыре группы.
Первая — это так называемые плоские органы, такие, как кожа, хрящи. Они имеют достаточно простую структуру, поэтому печать этих тканей ученые освоили одной из первых.
— Например, в Институте регенеративной медицины в Уэйк-Форесте (США) сделали биопринтер для замещения кожных дефектов. И надо сказать, при испытании на свиньях эта технология дает замечательные результаты, — говорит Юсеф. — Причем кожу они печатают непосредственно на объекте. Выглядит это все следующим образом: их принтер достаточно большой, размером с комнату. Внутрь помещают свинью, у которой есть ранка на коже. Встроенный сканер изучает дефект, с помощью специального программного обеспечения и математического моделирования прибор определяет, сколько слоев кожи нужно наложить, чтобы закрыть ранку. Далее на раневую поверхность в несколько слоев наносится коллаген и собственные клетки свиньи.
Этот проект финансируется министерством обороны США. В отдаленной перспективе такие передвижные принтеры будут «латать» получивших раны или ожоги солдат непосредственно в районе боевых действий. Причем уже сейчас небольшой кожный дефект принтер может закрыть менее чем за час.
Кроме этого в Принстонском университете напечатали человеческое ухо, а в одном из институтов Цюриха — бионический нос. На изготовление последнего ушло всего 16 минут.
— Сразу уточню: пока нет ни одного органа, напечатанного и пересаженного человеку. Даже если эксперимент дает очень хорошие результаты при испытаниях на животных, должно пройти еще 5–7 лет, прежде чем ученые смогут провести ту же операцию на человеке, — говорит Юсеф.
Вторая по сложности группа — это трубчатые органы, такие как трахея, мочеточник, сосуды. Здесь также ученым есть чем похвастаться. Например, в японской компании Сyfuse (Сайфьюз) удалось напечатать сосуд. Причем первые испытания, проведенные на свиньях, показали, что после пересадки он вполне жизнеспособен.
— Третья по сложности группа — полые нетрубчатые органы, например, мочевой пузырь, матка. Эта группа пока не напечатана, но разработки ведутся. В том же институте Уэйк-Фореста был воспроизведен мочевой пузырь, — говорит Юсеф.
Правда, создан он был по отличной от биопринтинга технологии. Вообще, если говорить о создании органов из живых клеток, существуют две методики: каркасная и бескаркасная. При каркасной у трупа берется орган, из которого вымываются все клетки. Остается только основа, болванка, которая потом засевается собственными клетками пациента. Созданные по такой технологии органы ученые еще называют призрачными. Именно таким способом был создан мочевой пузырь в институте Уэйк-Фореста.
— При таком подходе риск отторжения органа сведен к минимуму, но проблема нехватки донорских органов остается нерешенной. Нужен труп, из которого орган будет извлечен, — объясняет Юсеф.
Поэтому появились с этической точки зрения неприемлемые предложения. Например, растить органы в животных, например в свиньях, создавая так называемую химеру — животное с человеческой почкой или печенью. Потом орган изымают и используют в качестве каркаса.
Звучали и еще более циничные предложения, например, искусственным образом создавать ацефалов, то есть эмбрионов без головы. В процессе лабораторного зачатия в клетку добавляют ген, отвечающий за отсутствие головы у эмбриона. Затем находят женщину, согласную выносить такого ребенка. На позднем сроке беременности ей по медицинским показателям делают аборт, а необходимый для пересадки орган изымают, выхолащивают, засевают клетками пациента и пересаживают.
— Оба этих метода не выдерживают никакой критики с этической точки зрения. Метод же 3D-биопечати не требует каркаса — и это является одним из его плюсов, — объясняет Юсеф Хесуани.
Но вернемся к последней и самой важной группе органов, которые ученые пытаются воссоздать с помощью биопечати, — так называемым сОлидным органам. Это почка, печень, сердце, легкие. Они состоят из множества типов клеток, имеют сложную структуру. Но и здесь первые наработки уже существуют.
— Например, Дженнифер Льюис из Гарварда приступила к созданию нефрона — структурной единицы почки с использованием технологии трехмерной биопечати. А американская компания «Органово» напечатала трехмерный фрагмент печени. Для трансплантации он, естественно, не подходит, но может использоваться фармакологическими компаниями для исследования лекарственных препаратов, — перечисляет Юсеф.
Но это лишь первые шаги к созданию сложных структурных единиц живого организма. Как такового органа — ни животного, ни тем более человеческого — пока не создано. Точнее, не было создано до недавнего времени. Революционный шаг сделали в российской лаборатории — здесь не так давно заявили о печати на трехмерном биопринтере щитовидной железы мыши. Дальнейший этап — пересадка ее мышонку. Если эксперимент пройдет успешно, это будет настоящий прорыв в биопринтинге.
Органы будущего: квадратное сердце и печень в виде сферы
3D-принтеры вошли в нашу жизнь буквально за пару лет. С помощью этих приборов печатают детали оргтехники, мебель, сувениры. Есть специальные кулинарные принтеры, вместо чернил в которых используется, например, тесто или белковый крем. Недавно китайцам удалось напечатать на 3D-принтере настоящий дом. Функционирует этот прибор как обычный принтер, который установлен у каждого в офисе или дома. Но если первый печатает в двухмерном пространстве, то 3D — в трехмерном, то есть создает объемные объекты. В картриджи заливается не краска, а, например, жидкий пластик. Послойно нанося его, принтер печатает модель, которую ему задал компьютер.
Примерно так же работает и биопринтер. Но вместо пластика материалом для создания объекта служат живые клетки.
Для функционирования обычного принтера нужны картридж с чернилами и бумага. Для биопринтера нужны биочернила и биобумага.
Если предельно упростить, то процесс биопечати происходит так. Сперва на компьютере делается модель будущего органа. Затем нужно изготовить биочернила. Многие могут подумать, что для этого используют клетки. И да, и нет. Печатает биопринтер тканевыми сфероидами — шарообразными конгломератами, которые содержат тысячи клеток. По сути, это уже микроткань, которую выращивают в лабораторных условиях.
— Почему мы не печатаем непосредственно клетками? Дело в том, что в нашем организме клетки прилегают одна к другой очень плотно, искусственным путем такого добиться сложно, — объясняет Юсеф.
Но можно сперва создать некие кирпичики — сфероиды, а потом уже с помощью биопринтера класть их один на другой, выстраивая орган, как обычный дом. Но если сфероиды, имеющие форму шара, ничто не будет сдерживать, они просто разбегутся. Для скрепления этих частиц используется биобумага — гидрогель, который является подложкой, цементом для нашего дома-органа. При биопечати сперва выкладывается слой гидрогеля, на него — ряд сфероидов, потом опять гидрогель. И так в несколько слоев.
Так получается органоид, а если проще — прототип органа. Специалисты по биопринтингу просят не называть получившуюся конструкцию органом. Дело в том, что по принятой в физиологии классификации орган должен не только выполнять определенную функцию, но и иметь строго регламентированную форму. В данном же случае напечатанное с помощью тканевой инженерии сердце может получиться квадратным, а почка, к примеру, иметь форму параллелепипеда.
Нацпрограмма по печати органов
— Поймите, головки принтера могут двигаться только в трех направлениях. А значит, напечатать уникальную форму сердца или почки со всеми изгибами, какими их создает природа, прибор пока не в состоянии. Поэтому моя задача — взять натуральный орган, понять его конструкцию и адаптировать ее для биопринтера. Сделать упрощенную модель органа, но с теми же функциями, какие есть у природного. Если напечатанный конструкт будет выполнять предписанные природой функции, форма значения не имеет. Как мне сказал один хирург, «сделай мне хоть кубик, но если он будет обладать функциями почки, я его пересажу...»
Нюансы внешнего вида напечатанных на 3D-биопринтере органов мне объясняет профессор Владимир Миронов. Он является научным руководителем российской лаборатории биотехнологических исследований. Собственно, об этой технологии в мире заговорили благодаря Владимиру Александровичу и еще двум его коллегам из Государственного университета штата Вирджиния. В 2003 году в одном из американских научных журналов он опубликовал статью, которая называлась «Органопринтинг». Тогда идею «печатать нас самих» в научном сообществе восприняли примерно как полет в другую галактику.
— Создание органов — очень серьезная проблема. Даже если мы научимся профилактировать и лечить все заболевания, есть войны, катастрофы. Люди все равно будут терять органы и ткани. Нам нужно учиться их замещать, делать органы, — говорит Владимир Миронов. — Да, именно делать. Когда кто-либо пишет, что мы растим органы, он понятия не имеет, как выглядит этот процесс. Мы делаем то же самое, что и Генри Форд на своей автомобильной линии — мы собираем орган. По сути, это биологический протез.
— А биопринтер — это способ увеличить точность и скорость сборки?
— В том числе. Модель, полученную после сканирования, принтер может воспроизвести с точностью до 0,005 мм. Что касается времени, то, например, печать органоида щитовидной железы мыши на биопринтере заняла у нас всего 20 минут.
— А если заглянуть в будущее. Человек потерял на войне ногу, ему смогут ее напечатать на принтере и пришить?
— Теоретически да. Ведь что такое, например, палец, если предельно упростить. Три кости, между ними хрящ, снаружи кожа, под ней — жир. Чтобы палец сгибался, нужны нервы, мышцы с сухожилиями. Таким образом, чтобы научиться печатать палец, мне нужно научиться печатать все эти типы тканей. Кожу уже сделали, хрящи — тоже. Сосуды, жировая ткань — все это ученые также научились создавать. Очередь за нервами. Но и это теоретически осуществимо. А если мы сможем печатать руки, ноги, сердце, легкие, кого мы сможем создать?
— Человека...
— Конечно, пока это лишь фантазии. Но, например, американцы над этим уже задумываются. Они предложили проект по отправке в космос биопринтера и образцов тканей человека. Предполагается, что прямо там прибор сможет напечатать человеческий организм. Более того, принтер сможет напечатать человека, который будет резистентен к радиации.
— И когда для нас смогут печатать «запасные» органы?
— Совершенно неправильный вопрос. Если ученым, которые этим занимаются, не будут давать ни копейки, они никогда ничего не сделают. У меня просто не будет возможностей привлекать хороших специалистов, технику. Чтобы вы поняли, приведу пример, как биопринтинг продвигают в Японии. Там решили, что их страна должна быть мировым лидером в коммерциализации технологии регенеративной медицины, и разработали настоящую нацпрограмму. Руководит этими исследованиями доцент Таканори Такэбэ из Университета Иокогамы. Кстати, ему всего 29 лет. Но он уже заявляет, что к 2019 году сможет сгенерировать и пересадить человеку печень. И ему для этого создали все условия. Например, он заявил, что для реализации программы по созданию печени ему нужна автоматическая линия по производству сфероидов — тех самых кирпичиков, из которых печатают органы. Уже через полгода она у него была. Они там рассчитали все на 5 лет вперед: когда начнут эксперименты на обезьянах, когда перейдут к человеку. Рассчитали даже стоимость первой печени — 88 тысяч долларов. На конференции в Вене Такэбэ говорил, что единственное, что им останется сделать, — это расширить аэропорт рядом с университетом. Потому как существующий не выдержит потока людей, желающих приехать к ним на трансплантацию. Вот это называется планирование и рациональный подход!
— Но 88 тысяч долларов — сумма неподъемная. Если у них все получится, будут ли такие органы со временем дешеветь?
— Конечно, история развития технологий тысячу раз нам показывала, что, когда продукт внедряется, становится доступным, его стоимость падает даже не в десятки — в тысячи раз. Сколько стоили первые телевизоры, компьютеры...
— А в каких областях помимо трансплантологии и фармакологии может применяться биопринтинг?
— Одно из предполагаемых направлений — это создание новых организмов. Например, в процессе эволюции были промежуточные формы, найти которые в природе очень сложно. Но они важны для понимания процесса эволюции. Мы сможем восстановить утраченное звено, напечатав несуществующий организм. Кроме того, уже сейчас ученые создают биороботов. Например, есть медуза, созданная с помощью тканевой инженерии. Есть таракан. Конечно, на созданные природой эти организмы пока не похожи. Например, таракан — это, по сути, сокращающаяся мышца, которая ползает, реагируя на импульсы извне. Пока ученым важно понять сам принцип работы. Кстати, у меня есть интересный проект с одним японским исследователем — вместе мы хотим сделать плавающего биоробота.
«Пока есть мясо, полученное с помощью биопринтинга, невозможно...»
Но есть еще две отрасли, никак не связанные с медициной, где биопринтинг активно внедряется. Это швейное производство и гастрономия. Да, в скором будущем мы сможем с помощью биопринтеров печатать отбивные и кожу для курток. Да что там в скором времени — первые такие проекты уже существуют.
— Есть компания, которая производит фрагменты кожи именно для пошива одежды. Пока это лишь небольшие кусочки живой материи — у принтера маленькая рабочая поверхность. Но увеличить ее — лишь вопрос времени, — говорит Юсеф Хесуани.
Программу эту поддерживают «зеленые». Еще бы, ведь в этом случае не нужно будет убивать животных. Кроме того, для такой кожи можно будет задавать характеристики: нужна тонкая, лайковая, для перчаток — задаешь одну программу для принтера. Нужна толстая для ремня — другую.
А если можно напечатать кожу, можно и мясо. Более того, его уже печатают. Год назад в Лондоне был съеден первый гамбургер, котлета в котором была создана путем тканевой инженерии.
— Правда, стоила та котлета 300 тысяч фунтов. У американцев получилось напечатать мясо уже дешевле — за 100 тысяч долларов. Пока, правда, есть его сложно — вкус «биополуфабрикатов» далек от оригинального. Думаю, это происходит потому, что при печати использовались только мышечные волокна, а вкус мясу придает в том числе и жир.
— Юсеф, мне сейчас 30 лет. Скажите, доживу ли я до того времени, когда люди будут есть напечатанные на принтере котлеты, носить плащи из созданной с помощью биоинженерии кожи и менять себе органы?
— На этот счет есть два мнения. Эксперты в области биопринтинга говорят, что первые органы, которые будут получены методом биопечати и пересажены человеку, появятся к 2030 году. Но есть частное мнение некоторых ученых, которые считают, что это произойдет значительно раньше. В любом случае мы видим, что технология не стоит на месте, она развивается, появляется все больше ученых, занятых в этой сфере. Отрасль очень молодая — ей всего-то десять лет. И уже есть первые результаты. Это говорит о многом
