Почти живая вода

Молодой ученый из Оксфорда печатает на 3D-принтере заменители человеческих тканей

Николай Анищенко

Доктору Габриэлю Виллару всего 27, а тема его исследования уже украшает обложку журнала Science. Выпускник Оксфордского университета с помощью 3D-принтера создает структуры, которые способны воспроизводить функции практически любых тканей человеческого организма. В отличие от аналогичных работ, где используются стволовые клетки, технология Виллара не вызывает столь серьезных этических споров, полученный материал стоит копейки, а спектр возможных применений поражает воображение.

Вообще-то Габриэль в Оксфорде учился на физика. На исследования на грани химии, биологии и медицины его вдохновил чудо-аппарат — жидкостный 3D-принтер, который своими силами собрали работники лаборатории профессора Хейгана Бейли. На рукотворной машине, чей печатающий механизм состоит из двух пипеток, исследователи создавали цельные структуры из воды и масел.

Виллар предложил добавить в этот набор липиды — органические молекулы, которые входят в состав мембраны в клетках живых организмов.

Сеть внутри тебя

— Когда мы растворяем липиды в масле, они формируют двойную оболочку вокруг капельки воды. Если соединить две капельки в такой одежке, то, вместо того чтобы образовать одну большую по размерам каплю, они "целуются" и создают устойчивую структуру, в которой происходит взаимодействие,— метафорично поясняет Габриэль Виллар.

Микрокапли — их размер не превышает 50 нанометров — играют роль живых клеток, двойная оболочка — граница и одновременно связующее звено между ними, обеспечивающее прочность. Виллару и его коллегам удалось "вживить" в эту структуру мембранные протеины, которые в живом организме отвечают за общение клетки с соседями и с окружающей средой. Теперь он называет получившиеся структуры со связями в них не иначе как network — сеть, сообщество. И этими связями, как выяснилось, можно легко управлять.

Используя разные виды липидов и протеинов, выстраивая все "чернила" такой печати в различных последовательностях, в лаборатории Бейли получают кусочки псевдотканей, которые могут выполнять разнообразные функции.

— Здесь у нас три примера такого материала,— показывает доктор Виллар.— Первый способен работать как миниатюрная электрическая батарея, второй обладает светочувствительностью, третий — это что-то вроде электрической цепи. Все это функции каких-то тканей нашего тела.

Ряд ученых уже печатает на более сложных принтерах не кусочки тканей — целые модели человеческих органов, состоящие из живых клеток. Правда, их пока не удается заставить бесперебойно функционировать как систему. Метод доктора Виллара с коллегами менее амбициозен, но, по мнению ученого, значительно более практичен.

— Типичный подход при 3D-печати органов — это когда на некий скелет из синтетических материалов производят посев недифференцированных стволовых клеток, то есть тех, которые еще не получили "специализацию". И потом стараются простимулировать такую дифференциацию, чтобы они вырастали в клетки мышц, кожи или костей. Но проблема со стволовыми клетками в том, что они слишком неконтролируемы: они не всегда знают, в какую именно ткань вы хотите, чтобы они выросли. К тому же каждой клетке необходимо обеспечить строгие условия окружающей среды. Сама такая структура тоже сложна: вам необходимо убедиться, что каждая клетка получает доступ к питанию и возможность выбросить отходы своей деятельности. Доходит до того, что некоторые исследователи пытаются создать искусственную систему кровеносных сосудов.

Габриэля и его коллег мало заботит дизайн — они создают не то, что выглядит и полностью повторяет настоящую ткань или орган по структуре, но то, что ведет себя как живая ткань. "Если ткань человеческого организма повреждена, не нужно полностью воссоздавать ее кусочек или даже целый орган. Мы можем просто тщательно проанализировать все функции ткани или органа, которые необходимо подменить, и напечатать материал исходя из этого",— объясняет доктор Виллар свою концепцию.

Напечатай мне сердце

В лабораторных условиях на самодельном 3D-принтере Габриэль и его коллеги успешно печатают структуры, состоящие из десятков тысяч микрокапель, которые в диаметре составляют несколько миллиметров. Ученый говорит: при наличии коммерческого интереса можно относительно быстро — лет за 10 — научиться печатать устойчивые куски псевдотканей размером с внутренний орган человека. Но легко ли создать функционирующие заменители органов?

— Легче всего будет имитировать соединительную ткань, например кожу,— говорит Габриэль.— Материал, который мы уже научились печатать, может обладать практически всеми ее основными свойствами, кроме сбережения влаги. Но уже очевидно, что добиться этого не так сложно.

Для применения такой искусственной кожи еще надо поработать над прочностью материала. Сейчас он по виду напоминает желе, но ученые уже знают способы сделать его значительно более твердым.

— Каждую из составных частей таких структур — воду, масло и липиды — можно сделать тверже. С водой проще всего: есть такая штука, как гидрогели, с их помощью можно сделать воду даже прочнее, чем настоящая ткань. Можно подобрать масло таким образом, чтобы после печати оно затвердевало и превращалось во что-то наподобие резины, сохраняя при этом структуру материала. Также можно с помощью химической реакции укрепить связи между липидами и между двумя слоями липидов, чтобы конструкция стала еще прочнее. Если целенаправленно работать над этой задачей — это вопрос одного года.

Гораздо сложнее скопировать нервные клетки. Того, чтобы напечатанный материал выполнял их основные функции, в оксфордской лаборатории уже добились, но проблема в их вытянутой форме. Придать ее шарообразным каплям — непростая задача для дизайнера молекулярного уровня.

Самым сложным этапом, по мнению Виллара, станет создание искусственного сердца из водянистых структур. "Чтобы имитировать сердце, нужно скрупулезно воссоздать в материале две его самые важные функции: изменяемый объем микрокапель, чтобы ткань могла сокращаться за доли секунды, а также, чтобы микрокапли могли передавать друг другу электрические импульсы. Но тут важно, чтобы электрический импульс всегда передавался по строго определенному пути, чтобы такое сердце могло прокачивать кровь в правильном направлении и без сбоев. Вот это уже достаточно сложно.

— При наличии инвестиций мы сможем научиться моделировать простые функции человеческих тканей в течение пяти-десяти лет,— прогнозирует исследователь.— А вот более сложные, такие как изменение объема микрокапель, займут побольше времени.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Доставленному верить

Несмотря на то что связи между каплями-клетками в псевдоткани стабильны, ученые могут запрограммировать этот интерфейс на распад при наступлении определенных обстоятельств — воздействия светом или электричеством, присутствия определенных веществ, колебаний кислотности среды и так далее. В сочетании с использованием микрокапель как "контейнеров" для разных химических веществ это открывает новую главу возможностей.

Первое, что напрашивается само собой,— доставка лекарств к конкретному органу. Ученые уже используют для этих целей липосомы — замкнутые пузырьки, которые образуются в растворах сложных липидов с водой. Внутрь липосомы помещается раствор лекарства, которое важно доставить к конкретному органу. Точная микрологистика особенно актуальна, когда речь идет о ядовитых лекарствах. Результат: другие органы не повреждаются, а дозу яда за счет точечного применения можно сократить в сотни раз.

Но иммунная система человека не слишком жалует липосомы, уничтожая или полностью изолируя их вскоре после попадания в организм. Более высокая терпимость организма к созданным Вилларом структурам пока не доказана, но ученый взахлеб рассказывает о новых возможностях, которые они открывают.

— Мы можем отправить к поврежденному органу несколько микрокапельных структур. Внутри каждой капли будут относительно безвредные для организма химические вещества. Если они попадут в организм до того, как достигнут цели, вреда от этого не будет. Но если вещество A и вещество B будут доставлены по назначению, то, будучи извлечены из защищенных микрокапель, они вступят в реакцию и "сварят" ядовитое лекарство прямо там, где оно необходимо.

Так с помощью одних микрокапельных структур можно будет, например, проводить локальную химиотерапию раковых клеток, а еще их можно использовать как заменители погибшего участка ткани или органа.

Другой важный аспект — испытания лекарств, большинство из которых достаточно будет проводить на искусственных тканях. Гуманист Габриэль мечтает, что его технология подарит шанс отказаться или хотя бы минимизировать тестирование препаратов на животных.

Если можно "сварить" на месте полезное вещество, то с такой же вероятностью можно заняться адресной доставкой наркотиков. "Признаюсь, я не думал о такого рода химии,— улыбается Виллар.— Теоретически это возможно. Но мне кажется, должны быть и значительно более простые способы употребления наркотиков".

Скорее, говорит Габриэль, с помощью псевдотканей можно попытаться лечить наркозависимость. Дело в том, что микрокапли в подобных структурах можно запрограммировать отдавать свое содержимое окружающей их среде одномоментно, а можно постепенно. С их помощью можно очень медленно выводить наркотик из организма, не сразу уменьшая дозу, которая нужна наркоману. Подобная стратегия используется уже сейчас — в никотиновом пластыре.

— Если говорить о немедицинских вариантах использования этой технологии, то я в первую очередь думал о еде,— признается исследователь.— Только представьте: каждую микрокаплю можно наполнить своим вкусом и ароматом. Можно придавать напечатанной еде разную текстуру. Я думаю, будет восхитительно!

Но структуры Виллара не только для употребления внутрь. Ученый говорит, что уже может напечатать такой материал, который будет полностью прозрачным, при этом половина микрокапель в нем будет содержать вещество A, а остальные — вещество B. Если при наступлении определенных условий барьеры между микрокаплями исчезнут — в результате химической реакции между веществами можно получить, например, изменение цвета.

— Берем такой прозрачный гель, наносим на кожу. Если температура поднимается выше определенного уровня, он становится красным, если опускается ниже — голубым. Или, например, цвет меняется при присутствии в воздухе определенного вещества. Таким образом мы можем получить сенсоры для тела или же косметику, чувствительную к окружающей среде. Видимо, вот откуда придут деньги на дальнейшие исследования,— смеется Виллар.

По образу и подобию

О тканезаменительных и бытовых вариантах использования жидкостного материала исследователь говорит как о вещах само собой разумеющихся. Но есть еще одно — действительно фантастическое — направление, о котором помышляют в Оксфорде: использовать такие структуры в качестве того самого "скелета" для выращивания настоящих тканей и органов.

В этом случае живые клетки помещаются внутрь водяных микрокапель. Габриэль улыбается: этот прием тоже совершенствует методы, которыми ученые по всему миру руководствуются сейчас.

— Пожалуй, самая большая проблема при печати живыми клетками в том, что они могут мигрировать. Ты их в одно место впечатываешь, а они в другом оказываются. Можно, конечно, держать их в узде, химически построив вокруг них своеобразную защитную стену. Однако это помешает их общению с соседями.

Но если клетки поместить в микрокапли, двойная липидная оболочка предотвратит их миграцию, но сделает возможными "межкапельные" связи. Когда же клетки разрастутся в многоклеточные структуры и достигнут пределов оболочек, можно разорвать искусственные ограничители или даже позволить клеткам сделать это самостоятельно. Непотребленную воду и остатки липидов можно вывести как отходы клеточной жизнедеятельности, в итоге получится настоящая живая ткань без какого-либо искусственного "скелета". Доктор Виллар говорит, что именно в этом качестве полученный им материал может быть использован в первую очередь — в исследовательских лабораториях.

Смелость выкладок Габриэля, несомненно, встречает сопротивление тех, кто в подобных исследованиях видит этические проблемы.

— Я обычно не забочусь так сильно о философских подтекстах,— отрезает он. И поясняет: — А очень многие ученые заботятся, и это, скажем так, имеет определенные последствия для поиска финансирования. То, как ты создаешь имидж своего труда,— вот что действительно важно. Если никто не поддерживает тебя в работе или если люди полагают, что тебе не стоит заниматься такими исследованиями, ни к чему хорошему это не приведет.

Доктор Виллар не считает, что, создавая искусственные ткани, примеряет на себя сорочку бога, но соглашается: если в технологию ввести стволовые клетки, это вызовет куда больше вопросов.

— То, что заставляет многих не тревожиться конкретно об этом исследовании,— это что микрокапли не делятся. Так что вы, по крайней мере, можете гарантировать, что не создаете инструмент, который позволил бы клеткам "плодиться и размножаться". А вот со стволовыми клетками такого нельзя утверждать. Однако все это лишь технический вопрос,— продолжает он, немного подумав.— Люди уже создали липосомы и даже микрокапли, которые способны к репродукции, используя все физические и химические возможности, чтобы делиться. Проблема с ними лишь в том, что, делясь, они уменьшаются в размерах.

Но преодоление этой проблемы, по его мнению, не за горами. "Заставить их расти — дело не слишком сложное",— говорит 27-летний доктор наук.