Биологическая 3D-печать в России

3D-биопринтинг, 3D-биопечать биообъектов, а также биофабрикация как самостоятельное направление разработок в области тканевой инженерии стали формироваться в начале 2000-х годов. Это явилось альтернативой широко применяемым в медицине методам протезирования, имплантирования и трансплантации.

У искусственных органов имеются недостатки, один из главных состоит в отторжении чуждого человеческому организму инородного материала. Пересадка человеческих органов от донора также сопровождается серьезными побочными эффектами, в результате пациент с пересаженным органом вынужден до конца жизни употреблять фармацевтические препараты, препятствующие отторжению пересаженного органа. 3D-биопечать, основанная на живых клетках самого пациента, в принципе устраняет этот недостаток.

Биопринтинг — это технология создания тканеинженерных конструкций (называемых скаффолдами) с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток, а сама конструкция имитирует для них то микроокружение, которое в дальнейшем способствует формированию новой, строго определенной ткани. Технология 3D-биопринтинга, как правило, включает в себя экструзию (выдавливание) биоматериала с клетками, послойно воссоздающую структуры биологических тканей. Для этой технологии требуются три составляющие:

1) биопринтер — роботизированное устройство, позволяющее послойно создавать трехмерные биологические объекты согласно заданным характеристикам из компьютерной модели;

2) клеточный материал пациента (определенного вида и после специальной подготовки);

3) вспомогательные материалы природного, синтетического или смешанного происхождения как основа биомиметического 3D-матрикса (своего рода строительные леса).

Обычно биопринтинг осуществляют в пять этапов.

Первый этап — это подготовка. Он включает моделирование будущего трехмерного объекта, культивирование клеточного материала, а также подбор материала для матриксов под конкретный тип трехмерной биопечати. При проектировании объекта печати оператор задает размеры, геометрию, количество слоев и другие характеристики модели в соответствии с решаемыми задачами и на основе данных о конфигурации зоны имплантации, полученных с помощью МРТ или КТ. Заданную структуру цифровых трехмерных моделей можно точно воссоздать с использованием трехмерного проектирования в системе автоматизированного программирования (САПР) или в CAD-формате (Computer Aided Design), после чего трехмерная модель может быть сохранена в STL или AMF-форматах. В дальнейшем эту модель, конечно, потребуется «подрихтовать» с учетом возможностей конкретного биопринтера и материала.

Следующий этап называется «слайсинг». По аналогии со стандартной 3D-печатью требуется создать для биопринтера «дорожную карту». В этот момент определяется вся траектория движения печатающей головки: где-то она просто передвигается, где-то двигается и «печатает», по завершении слоя печати — переходит на второй слой, или же происходит смена печатающей головки (если используется несколько биоматериалов).

Третий этап — печать. Самый важный момент. Именно здесь выяснятся все просчеты предыдущих этапов. Любая неточность — и вместо изящных изгибов ушной раковины (которую мы и пробуем напечатать) получаем бесформенную массу. И это может произойти не сразу, а, к примеру, через полчаса после начала биофабрикации. Поэтому на третьем этапе обычно запускают систему видеофиксации, обеспечивающей наблюдение за процессом создания трехмерных конструктов в режиме реального времени.

Четвертый этап — этап «постпринтинг», который необходим для стабилизации структуры напечатанного объекта и включает его «дозревание» в биореакторе (или инкубаторе, если есть уверенность, что наш скаффолд обеспечивает клетки внутри себя доступом питательных веществ и газов), где формируются такие базовые характеристики, как механическая прочность, структурная целостность, а также функциональные свойства.

Результатом всей работы является имплантация тканеинженерной конструкции в организм. Вот здесь-то и проявляется вся непредсказуемость при переходе от «пробирки» к исследованиям на животных, связанная с исключительной сложностью организма. Что мы получим в итоге и получим ли что-то, или организм воспримет этот скаффолд как нечто чужеродное, от которого нужно скорее избавиться?

Собственно рыночного, коммерческого потребления биопринтинга в России нет. Все биопринтеры и материалы используются исключительно в научно-исследовательских целях (лабораторные, доклинические и клинические исследования). Это небольшие настольные устройства размером с микроволновку, весом 10–70 кг. По состоянию на апрель 2023 года парк принтеров РФ оценивался нами в 50 ед. (таблица 1).

В последние годы сформировался пул 15 торговых компаний, специализирующихся на поставках для исследований биопринтинга человека, в том числе биопринтеров, запчастей к ним, реагентов, химикатов и аксессуаров для биопечати, например, московские ООО «Диаэм», ООО «Аналитика М» (Москва), ООО «Торговый Дом "Химмед"» и питерское ООО «Техноснаб». Активно действует несколько интернет-магазинов 3D-принтеров, в которых предлагаются биопринтеры и материалы для биопечати. «Компания видит взрывной интерес к теме цифровой медицины в России,— рассказал нам Антон Теплухин из Top3DGroup.— На данный момент мы оснастили уже пять государственных учреждений и несколько коммерческих лабораторий. Однако тенденция настолько высокая, что только на 2023 год у нас запланировано еще семь поставок в различные учебные заведения нашей страны».

Отрадно, что федеральные научные фонды финансируют широкий круг научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области биопринтинга (таблица 2).

Помимо федеральных фондов, НИОКР в области биопринтинга финансировали региональные структуры, например, в Самаре и Санкт-Петербурге. Кроме того, существенные работы велись примерно в 20 вузах в порядке научной инициативы с привлечением студентов. Примеры: Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, Башкирский медицинский университет, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева.

Федор Сенатов, кандидат физико-математических наук, директор НОЦ биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС рассказал нам: «На текущий момент в МИСИС на базе НОЦ Биомедицинской инженерии собрано самое большое количество биопринтеров разных типов: 1) Fabion, 2) In situ биопринтер на основе робота Kuka, 3) In situ биопринтер на основе отечественного робота Rozum Robotics, разрабатываемый в рамках Передовой инженерной школы МИСИС, 4) магнитный биопринтер «Орган.Авт», 5) Regemat, 6) экструзионный гидрогелевый биопринтер 1, 7) гидрогелевый биопринтер 2, а также роботические руки для in situ печати с обратной связью, первый в мире магнитный биопринтер, первое в России и одно из трех в мире устройств для печати тканевыми сфероидами, биопринтеры для печати гидрогелями с клеточными компонентами. С помощью технологии биопечати создан и запатентован совместно с 3DBioprinting solutions имплантат ушной раковины, доклинические испытания которого проходят на базе Национального медицинского исследовательского центра оториноларингологии ФМБА России. В 2023 году запатентован тканевой пистолет для лечения повреждений поверхности кожи (ожоги и другие раны) в условиях ЧС или военных действий. К 2027 году мы планируем зарегистрировать для применения в медицине мобильный комплекс для биопечати».

Заведующий кафедрой химического и фармацевтического инжиниринга Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, доктор технических наук, профессор Наталья Меньшутина полагает, что «в ближайшее время исследования будут сосредоточены на разработке новых материалов и процессов для повышения эффективности биофабрикации с использованием аддитивных технологий. Такие исследования могут включать в себя, в том числе, процессы формирования иерархически пористой структуры материалов с использованием аддитивных технологий для получения высокоэффективных матриксов для роста и дифференцировки клеток, что на данный момент является затруднительным».

Мнение о перспективах биопринтинга высказал нам заместитель директора Института биомедицинских систем МИЭТ Кирилл Пожар: «У российских научных организаций имеется хороший задел в клеточных технологиях, вследствие чего биопринтинг в РФ имеет хорошие перспективы развития и применения. В то же время пока прогресс в этой области весьма небольшой, инвестиции, в том числе государственные, в эту отрасль несоизмеримы с инвестициями в другие направления, а количество новых результатов инновационной деятельности чрезвычайно мало».

Татьяна Астрелина, доктор медицинских наук, профессор, руководитель Центра биомедицинских и аддитивных технологий, заведующая кафедрой регенеративной медицины, гематологии, молекулярной цитогенетики с курсом педиатрии МБУ ИНО ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБА России сообщила нам: «При 3D-биопечати существуют проблемы. С инженерной точки зрения скорость печати и размер продукта ранее были обратно пропорциональны: детали с более мелкими продуктами и более высоким пространственным разрешением требуют больше времени для печати. В настоящее время биочернила ограничены по сложности, совместимости с клетками и возможностью печати. С усовершенствованием процессов биопечати и биочувствительных элементов исследователи и клиницисты должны определить, что составляет функциональную биоткань. Например, иннервация — активная область исследований в биопечати, но в настоящее время отсутствует в большинстве напечатанных тканеинженерных конструкций, однако необходима для полного восстановления функции ткани. Для ускорения жизнеспособных клинических решений необходимо сбалансировать правильное количество дизайна биопечати с возможностями самосборки и восстановления клеток-хозяев и напечатанных клеток. Для массового производства тканей с трехмерной биопечатью необходимо будет разработать нормативно-правовую базу и производственную инфраструктуру».

Опрос специалистов, проведенный «Наукой» в марте—апреле нынешнего года, показал, что коммерческое применение биопринтинга будет происходить поэтапно.

Во-первых, все больше фармацевтических производителей будут использовать технологии 3D-биопечати в процессе разработки новых лекарств. По сравнению с традиционным способом разработки лекарств 3D-биопечать позволяет фармацевтической промышленности тестировать лекарства более доступно и безопасно. Научно-исследовательские группы могут тестировать новые лекарства как на ранних стадиях, так и во время доклинических исследований, используя 3D-биопечать живых тканей человека.

Во-вторых, близко по времени создание тканеинженерных конструкций методом биопечати биочернилами для регенерации хрящевой ткани. Готовятся композиции биочернил и технологии для восстановления хряща. Возможная готовность — 2025 год.

В-третьих, ведутся клинические исследования биопечати небольших твердых органов, таких как барабанная перепонка, уретра; возможно завершение четырех фаз клинических исследований в 2027–2029 годах.

В-четвертых, видятся перспективы в 2030-х годах биопечати больших плотных органов или их частей — сердца, почек и печени.

В-пятых, существуют перспективы в косметической отрасли, например, при разработке омолаживающих препаратов с использованием биопечатных имитаторов конкретной пациентки в ее реальном возрасте.

Наконец, к 2050–2070 годам, как видится, биопечать войдет в широкую практику и станет существенным методом высокотехнологичной медицины.