Печень на чипе

Ученые Института регенеративной медицины Научно-технологического парка биомедицины Первого МГМУ имени И. М. Сеченова пересадили лабораторной мыши конструкт печени, напечатанной на 3D-биопринтере. Сейчас ученым предстоит оценить результаты вмешательства и подготовиться к масштабному эксперименту на большем количестве животных.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Цель исследователей — разработать подход к формированию биоэквивалента печени, способного решить проблему нехватки донорских органов. Исследование проводится в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Конструкт, разработанный учеными, состоит из двух компонентов — гидрогелевой системы и органоидов. В качестве основы биочернил использовали гидрогель на основе внеклеточного матрикса печени, сохраняющий состав и структуру белков нативного органа. Второй компонент — органоиды — структурные единицы формируемой печени, способные к росту и самоорганизации. В их основе три типа клеток: гепатоциты (клетки паренхимы печени), а также мезенхимные стромальные и эндотелиальные клетки, которые необходимы для поддержания гепатоцитов и формирования кровеносных сосудов.

«Такие особенности делают микроконструкты печени релевантными для моделирования процессов регенерации и применения в качестве платформы для тестирования лекарственных препаратов,— рассказала руководитель дизайн-центра “Биофабрика” Института регенеративной медицины Полина Бикмулина.— А в долгосрочной перспективе возможно использование разработанной технологии формирования биоэквивалента печени для создания органов для трансплантации людям».

Для проведения операции ученые выбрали наиболее щадящий вариант вмешательства: «пациентке» заместили лишь фрагмент ее собственного органа. Дальнейшая задача исследователей — проанализировать результаты эксперимента. В частности, оценить качество фиксации конструкта, реакцию на него окружающих тканей и множество других параметров. В ближайшее время они проведут еще несколько подобных вмешательств — для подготовки к масштабному эксперименту.

«Сегодня проведение доклинических исследований на лабораторных животных — необходимый этап при создании новых лекарств,— объяснила доцент, заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Анастасия Шпичка.— Но с точки зрения гуманного к ним отношения во всем мире стараются активно развивать направления, связанные с разработкой систем типа “орган-на-чипе”».

«Напечатанные на биопринтере конструкты печени мы в том числе тестируем для их создания. Они позволят ускорить доступ пациентов к новым лекарствам и снизить необходимость в исследованиях на животных»,— заключила специалист.

Еще одна задача ученых — разработать in vitro систему для тестирования лекарств — так называемую печень-на-чипе. Такое устройство способно реагировать на различные лекарства подобно настоящему органу, что позволит исследователям предугадывать реакции клеток печени человека на лекарственные вещества и другие агенты.

Петр Тимашев, профессор, научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Минздрава России, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое биопечать?

— Биопечать — это метод биофабрикации, относящийся к аддитивным технологиям: в соответствии с трехмерной моделью ткани или органа происходит послойное нанесение специального материала — биочернил — и постепенно формируется также трехмерная конструкция. В состав биочернил при этом входят два компонента: биоматериал (чаще всего различные гидрогели) и клеточный компонент (клетки, сфероиды либо органоиды). Трехмерная модель с помощью программного обеспечения «разрезается» на слои, и биопринтер подает биочернила в соответствии с формой каждого слоя, надстраивая следующий слой поверх предыдущего. По окончании процесса 3D-биопечати обычно следует этап затвердевания, когда гидрогель обычно под действием света полимеризуется, что обеспечивает прочность и стабильность полученной конструкции.

— На сегодняшний день выделяют три основных типа биопринтеров. Расскажите, чем они отличаются, каким из них пользовались ученые в данном эксперименте и почему именно им.

— Экструзионные биопринтеры по своему принципу действия очень близки к обычным 3D-принтерам: за счет давления из картриджа принтера происходит собственно экструзия — выдавливание материала, формируется нить, которая затем послойно укладывается на подложку. Струйные биопринтеры работают в целом схожим образом, однако в этом случае формируются не нити, а микрокапли материала, которые аналогично укладываются по заданной компьютером программе. Лазерная биопечать — это довольно обширная и разнородная группа технологий, объединяемая наличием лазера как основного компонента системы для биофабрикации. В частности, одним из видов лазерной биопечати, применяемых в нашей лаборатории, является лазер-индуцированный прямой перенос, при котором с помощью лазера происходит точечная «перестрелка» сфероидов на подложку. Данный метод обладает самым высоким разрешением среди биопринтеров и, кроме того, обеспечивает максимальную безопасность формирования биоэквивалента. Однако в экспериментах по созданию биоэквивалентов печени, кожи, барабанной перепонки мы применяем метод экструзионной биопечати. Этот подход позволяет создавать объемные структуры со сложной вертикальной структурой, что собственно и является задачей получения биоэквивалентов не в качестве платформ для моделирования, а для дальнейшей трансплантации.

— В 2022 году ученые впервые смогли пересадить человеку орган, напечатанный на 3D-принтере. Для создания имплантата врачи использовали клетки и ткани самого пациента. Какие клетки брали ученые Сеченовского университета?

— Чаще всего мы также используем клетки людей-доноров, такие как мезенхимные стромальные клетки (МСК) жировой ткани, десны, пуповины. Использование клеток человека отвечает задачам трансляции разработок в клиническую практику, в отличие, например, от клеток животного происхождения. Кроме того, они обладают гораздо более выраженным регенеративным потенциалом — способны превращаться в специализированные клетки, необходимые для замещения дефектов поврежденной ткани, способны к «общению» с клетками хозяина, в том числе иммунными, что очень важно для процесса заживления.

— Какие стадии есть у эксперимента?

— Типичный эксперимент включает в себя подготовку биоматериала, подготовку клеток, получение биочернил, непосредственно печать тканевой структуры на биопринтере, дальнейшее культивирование и дифференцировку биоэквивалента, а также тестирование жизнеспособности и функциональности созданного органа или его части. Каждый этап требует тщательного контроля и мониторинга для получения стандартизованной и воспроизводимой технологии.

— В Сингапуре, Америке и Германии сейчас создаются специальные центры, исследующие биопечать. Сотрудничают ли ученые Сеченовского университета с подобными центрами?

— На настоящий момент Институт регенеративной медицины сотрудничает сразу с несколькими крупными международными центрами биофабрикации, включая исследовательские центры Китая, Кубы, Турции. Обычно работа над проектом идет в параллельном режиме с коллабораторами, при этом каждая группа проводит исследования с использованием своего набора основных методов для многостороннего изучения проблемы. Сотрудники находятся на постоянной связи друг с другом — так, например, на научных семинарах исследовательские группы представляют полученные результаты, затем обсуждают их для разработки дальнейшего плана действий. Кроме того, регулярно проходят международные конференции и стажировки, где лаборатории взаимодействуют уже в очном формате.

Так, в декабре происходило сразу несколько стажировок: пятеро сотрудников Сеченовского университета отправились на стажировку в Университет Китайской академии наук, Национальный центр нанонауки и технологий, Ключевую лабораторию биологических эффектов наноматериалов и нанобезопасности (Пекин, Китай), в то время как Институт регенеративной медицины принимал троих профессоров из Центра генетической инженерии и биотехнологии (Гавана, Куба) и Центра генома и стволовых клеток Университета Эрджиес (Кайсери, Турция).

Подготовлено при поддержке Сеченовского университета