О развитии индустрии биопринтинга
Главное достижение биопринтинга за последнее время — появление индустрии вокруг этой технологии. Когда задумывался проект 3D Bioprinting Solutions в 2011 году, идея биопринтинга уже давно существовала, но рынка вокруг нее не было. Сейчас это большая индустрия, каждая из составляющих которой имеет собственную ценность. В биопринтинге есть четыре основных направления развития.
Биопринтинг дает возможность тестировать лекарственные препараты — проверять их токсичность. Именно ради этого многие компании и начали когда-то его активно развивать.
Реакция клеток в реальности может сильно отличаться от того, как они ведут себя под микроскопом. Это стало причиной отмены запуска многих препаратов на самых последних стадиях испытаний. Медикамент начинали проверять на людях, и вдруг выяснялось, что он токсичен. Так родилась идея печатать ткани для тестирования лекарственных средств.
Биопринтинг используется в основном в трансплантологии, когда в лечебных целях больную или отсутствующую ткань заменяют на новую. Сложность задач и успехи в этом направлении сильно зависят от того, какую ткань нужно напечатать. Кожу, например, мы умеем печатать уже сейчас — делаем подложку, наносим на нее криобласт и получаем кожный покров. Можно так довольно просто закрыть большой ожог. Пока опыт применения биопринтинга в трансплантологии довольно маленький — это требует определенного набора компетенций, умения культивировать клетки, но индустрия продвигается в этом направлении.
Но эксперименты, связанные с печатью более сложных тканей — сосудовидных образований, трубчатых структур, пока не столь успешны. Это намного труднее, и пока технология биопринтинга настолько не развита. С железистыми органами или почкой, которая является итоговой целью нашей компании, — еще сложней, потому что их структура очень специфичная. Но при этом, например, по технологии швейцарской компании Codon проведено более 12 тыс. операций, в которых дефекты хрящей восполняли с помощью специальных напечатанных хрящевых шариков.
Теоретически, в будущем мы сможем создавать мясо, и ни одно животное при этом не пострадает. Это третье направление биопринтинга — 3D-печать в пищевой промышленности. Например, уже был напечатан бифштекс. Дорогой и не очень вкусный, но важен сам факт.
Есть совершенно замечательный кейс, когда при создании ткани использовали живые клетки, которые меняют свою конформацию в зависимости от температуры. Для спортсменов так делают костюмы, в которых при достижении определенной температуры открываются разрезы и дают телу дышать, а когда температура опускается, — закрываются. Это еще одно перспективное направление биопринтинга — текстильная промышленность.
О том, чем будет отличаться напечатанный орган от родного
Нас в 3D Bioprinting Solutions интересует работа в направлении трансплантологии. Если говорить о печати живых тканей, то сейчас мы работаем над созданием не органов, а их конструктов — тканевых структур, выполняющих определенную функцию. Отличие конструкта щитовидной железы мыши, который мы напечатали, от полноценного органа — в том, что он выполняет только главную функцию — выделяет гормоны. Также нам в целом не важны расположение и форма органа.
Смысл биопринтинга — в том, чтобы создавать эффективные органы, и иногда для этого не обязательно точно воспроизводить все функции ткани. Сейчас важнее развивать технологию. Понятно, что лучше воспроизводить все в точности, но это сложно, дорого и требует очень много времени на исследования. Напечатанный орган никогда не будет на 100% идентичен родному. Скорее всего, человек будет как-то чувствовать замену почки, но как именно это будет проявляться, сказать пока нельзя.
Если нужно воспроизвести именно форму какого-то органа, то для этого весьма успешно применяется медицинский принтинг. Это две разных индустрии. Различие в том, что с помощью медицинского принтинга создаются объекты из искусственного материала, в них нет живых процессов. Такой вид 3D-принтинга широко используется для печати позвонков или зубов, а кость из титана в некотором смысле будет даже лучше, чем родная.
О том, когда начнут печатать органы и сколько они будут стоить
Есть некоторая вероятность того, что биопринтинг упрется в какую-то неразрешимую проблему и печатать сложные человеческие органы мы не сможем. Но, как нам видится развитие технологии сегодня, напечатать почку мы точно сможем, вопрос только — когда. Изначально мы рассчитывали сделать это за 30 лет, соответственно, осталось чуть больше 20. То есть к середине 30-х годов на рынке должна появиться напечатанная почка.
Когда мы начинали, подобных лабораторий в мире были единицы, а сейчас — сотни. Написаны тысячи статей, и, возможно, какое-то открытие существенно форсирует развитие биопечати. Когда множество компаний конкурируют между собой, это здорово ускоряет процесс.
Чтобы применять что-то на человеке, мы должны получить очень большой опыт. Мы не можем рискнуть и навредить. Каждый день ко мне на почту приходит по несколько обращений с запросом напечатать щитовидную железу для человека. Люди читают научные статьи и не понимают, что между научным достижением и внедрением этого в клиническую практику проходит немало времени. Сначала мы должны понять, как работает технология и от чего зависят результаты, и только потом можно начинать проверять, насколько это безопасно для человека. И более простые технологии проверяются быстрее, а сложные — дольше.
Использование любой технологии сначала является элитарным: мало людей, которые умеют с ней работать, количество предложений ограниченно. Но, как правило, за небольшой период времени технология распространяется, удешевляется и становится намного доступнее.
Трансплантология всегда будет штучной, это не то, что можно поставить на поток, но постепенно биопринтинг сделает ее вполне доступной всем. Хороший аналогичный пример из медицины — полногеномное секвенирование (анализ всех ДНК-последовательностей, то есть всего генома — «Хайтек»). На первый анализ генома человека скидывались всем миром (результаты исследований опубликовали в 2001 году, стоимость программы составила примерно $3 млрд — «Хайтек»), а сейчас за $300 его может сделать любой желающий.
О том, как биопринтинг изменит медицину
Развитие биопринтинга изменит в медицине многое. Например, сейчас существует большая индустрия гемодиализа (метод внепочечного очищения крови при острой и хронической почечной недостаточности — прим. «Хайтек»). При том, что она спасает людям жизни, это очень дорогостоящая для государства и неудобная для человека пожизненная процедура. Несколько раз в неделю пациент должен ездить куда-то для очистки крови или носить с собой специальный чемоданчик. Возможность печатать органы, в данном случае — почки, позволит отказаться от этой дорогостоящей и значимой сейчас части медицинской инфраструктуры.
В корне изменится трансплантология. Сейчас это направление медицины сфокусировано на поиске донора. А если им станет сам человек и печатать органы будут на основе его собственных клеток, то это перевернет индустрию и решит массу этических проблем.
Возможность заменять старые органы новыми изменит то, как и чем будут болеть люди. Почему сейчас так много людей умирают от сердечно-сосудистых заболеваний и онкологии? Дело ведь не в том, что плохо лечат или что-то резко ухудшилось в экологии. Просто люди стали жить дольше. Раньше умирали в 30–40 лет и проблема болезни Альцгеймера волновала очень немногих. Новые возможности трансплантологии в корне изменят всю структуру заболеваемости.
О самых амбициозных задачах в биопринтинге сегодня
Методы биопринтинга эволюционируют. От аддитивной печати (послойной), мы переходим к формативной, которая скорее напоминает создание снежного кома. При печати отдельными клетками сложнее добиться высокой плотности, которая необходима для печати живой ткани.
Клетки довольно социальная субстанция, они общаются между собой, и для этого расстояние между ними должно быть маленьким. Для разных типов клеток оно колеблется от 25 до 50 мк. Если расстояние больше, то у клеток нет сигнальной системы, которая позволила бы им общаться, и тогда коллектив не складывается, ткань погибает. Поэтому мы сначала лепим маленький и достаточно плотный шарик, который состоит из нескольких тысяч клеток. Он уже обладает задатками живой ткани и, по сути, является «кирпичом» в биопринтинге, только круглым. Потом мы такие «кирпичи» аккуратно укладываем с помощью гидрогелей и получается живая ткань.
Для того, чтобы успешно применять метод формативной печати, мы учимся использовать технологии магнитной и акустической печати. Их принцип — в следующем: под действием определенных сил клеткам задается своего рода траектория и они сжимаются в описанные выше клеточные структуры. Это позволяет не только укладывать клетки с определенной плотностью, но и формировать ткань в разы быстрее, чем при послойной печати. Освоение этого метода должно позволить нам печатать гораздо более сложные органные структуры.
Точно сказать, какие именно возможности откроют эти технологии, нельзя, речь все же идет о научных экспериментах. Но мы предполагаем, что это позволит нам существенно приблизиться к тому результату, который мы запланировали, — печати функциональной человеческой почки. Я бы сказал, что развитие этих технологий — одна из самых амбициозных задач для биопринтинга сегодня.
О создании фабрики по печати органов в космосе
Чтобы клетки было проще собирать в ткань, мы хотим попробовать это делать в невесомости. В экспериментах с технологиями магнитной и акустической печати нам немного мешает сила тяжести. Поэтому в четвертом квартале 2018 года мы планируем отправить на МКС магнитный биопринтер и продолжить эксперименты там. Это наш совместный проект с Роскосмосом.
Подобный эксперимент можно провести и на Земле — создать условия невесомости искусственным образом с помощью супермагнита, но это очень дорого. Мы получили на такой эксперимент специальный грант, но несмотря на то, что сумма довольно большая, ее хватит всего на 40 часов работы оборудования. Чтобы удерживать клетки в состоянии невесомости, тратится очень много электроэнергии. На орбите же такие условия можно получить бесплатно. Надо только долететь, а невесомость получаем в подарок.
Если таким образом мы научимся делать жизнеспособные ткани, то это может стать достаточным основанием для создания фабрики по печати органов в космосе. Например, это может быть отдел на МКС, который занимался бы печатью органов и, условно, контейнерами отправлял их на Землю.
В этом эксперименте мы зависим от цикла, когда космонавты летят к МКС и возвращаются обратно. Поэтому он продлится всего несколько недель. Затем результаты эксперимента привезут на Землю, мы изучим их и сможем сказать, что получилось. Но для линейки экспериментов это только начало — биопринтер останется штатным оборудованием на МКС и в дальнейшем не только мы, но и другие ученые и компании смогут работать с ним.
О важности больших научных планов
Изначальная цель, которую мы ставили перед нашим проектом, — напечатать функциональную и жизнеспособную почку. Когда мы задумывали этот проект, мы понимали, что это дорога лет на 30. Но проект не может жить без достижений столько времени — это психологически тяжело, люди не выдержат и разбегутся. Поэтому нужно двигаться маленькими шагами от одного научного успеха к другому и использовать результаты, которые ты уже получил. Но важно при этом не отвлекаться слишком сильно на спин-оффы, не терять из виду свою главную цель.
У нас есть несколько примеров того, как мы используем промежуточные результаты наших исследований. Например, сейчас мы работаем над печатью волос для трансплантации. Мы берем у человека одну клетку и из нее делаем целый родной волос. И напечатать его уже можно — сложность заключается в том, как он будет расти. С вероятностью 50% — не наружу, а внутрь. Это дико неприятно. И мы учимся направлять его рост в нужном направлении, чтобы его можно было причесать. Это довольно непростая проблема.
Заниматься проектами с длинным горизонтом планирования важно, они в итоге меняют какие-то принципиальные вещи, устройство всей индустрии. И даже если ты в итоге не выиграешь гонку, то все равно приобретешь достаточно компетенций, чтобы быть успешнее в регулярном бизнесе, чем коллеги, чей горизонт планирования был меньше. Во многом поэтому такими долгосрочными проектами занимаются корпорации. Дело здесь не только в желании осчастливить человечество, цели намного сложнее.
Создание программ с горизонтом планирования в 20–30 лет в области биотехнологий и выдерживание их дальнейшей реализации очень важно для России. На мой взгляд, неспособность на это — одна из главных проблем развития биотехнологий в нашей стране. Это приводит к тому, что приоритеты определяются хаотически. Когда государство строит планы по развитию технологий максимум на пять—десять лет, часто нельзя понять, что действительно важно, а что нет.