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.
Биологическая 3D-печать устраняет проблему отторжения пересаженного органа
Фото: Ilia Yefimovich / picture alliance / Getty Images
Биологическая 3D-печать устраняет проблему отторжения пересаженного органа
Фото: Ilia Yefimovich / picture alliance / Getty Images
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.
Новый важный термин биопринтинга — скаффолд (англ. scaffold — строительные леса), то есть матрицы для заполнения клетками и формирования целевой ткани организма человека.
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).
Динамика открытых закупок биопринтеров и биочернил в 2017–2022 годах (млн руб.)
Открытые закупки биопринтеров, биочернил и услуг с их применением выявлены на портале «Закупки.гов.ру» в количестве 10 ед. Всего на торгах было приобретено 9 принтеров, в том числе 3 ед. южнокорейской компании Rokit (один — модели Invivo Premium и два — Invivo 4D6), испанский Regemat, шведский Cellink модель BIO X. Приобретателями выступили МИСИС, Казанский (Приволжский) федеральный университет, НИУ ИТМО, СПбПУ Петра Великого, ФГБУ «НМИЦ онкологии», МГМСУ им. А. И. Евдокимова, НМИЦ ТО им. Р. Р. Вредена, Инженерно-физический институт биомедицины МИФИ, НИИ космических технологий им. С. П. Королева, Самарский государственный медицинский университет, Московский фармацевтический завод №18. Общая сумма закупок составила 68,6 млн руб. Из рисунка видно, что закупки осуществлялись неравномерно, причем 84% пришлось на 2022 год. Возможно, в 2022 году проявилась точка бифуркации в биопринтинге РФ.
Этапы биопринтинга
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?
Парк биопринтеров РФ на апрель 2023 года
|
*В том числе экспериментальные принтеры в «Кристаллография и фотоника», МИСИС, МИФИ, МФТИ.
Источник: оценка автора.
Потребление биопринтинга в РФ
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».
Гранты на исследование биопринтинга
Отрадно, что федеральные научные фонды финансируют широкий круг научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области биопринтинга (таблица 2).
Федеральные гранты РФ по биопринтингу в 2020–2023 годах
|
Источник: выборка автора по сайту ЕГИСУ НИОКТР.
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.
Научные достижения биологической печати в России
Ожидается, что быстрее всего биопечать освоит хрящевую ткань
Фото: Bloomberg / Getty Images
Ожидается, что быстрее всего биопечать освоит хрящевую ткань
Фото: Bloomberg / Getty Images
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».
К концу апреля 2023 года опубликовано более 50 патентов РФ на изобретения и полезные модели, свидетельств на базы данных и программ для ЭВМ. В частности, биотехнологическим компаниям из США принадлежит пять патентов РФ на изобретения, в том числе два у Organovo Inc. (№2623303 и 2625016), по одному у Aprecia Pharmaceutical Co. и Anthrogenesis Corp.
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».
Здесь другое, более простое, но тоже важное применение 3D-печати — модели органов для подготовки к операции и иных медицинских целей
Фото: AP
Здесь другое, более простое, но тоже важное применение 3D-печати — модели органов для подготовки к операции и иных медицинских целей
Фото: AP
Заключение
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.