Создание чернил для 3D-биопринтинга похоже на приготовление студня. Биоинженер Владимир Миронов о создании биочернил, выращивании органов и искусственном мясе

Когда мы научимся печатать человеческое сердце? Как моделируют сверхпрочные материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Издатель ПостНауки Ивар Максутов побеседовал с биоинженером Владимиром Мироновым о том, что такое биочернила, как печатают человеческие органы и как биотехнологии будут развиваться дальше.

Основы биопечати

— Чем 3D-биопринтинг принципиально отличается от 3D-принтинга?

— В обычной трехмерной печати можно использовать керамику, металл, титан, пластик — все что угодно. Но там не используют живые клетки. Как только мы начинаем печатать органы живыми клетками, возникает очень много ограничений: температура, токсичность и тому подобное.

Когда наша область стала развиваться, многие считали, что мы просто берем существующие трехмерные принтеры и печатаем на них скаффолд — вспомогательную опорную конструкцию. При строительстве дома используются строительные леса, а потом леса убираются, а дом остается. Тот же подход используется и в тканевой инженерии. Но биопринтингом это назвать нельзя. Биопринтинг — это когда органы печатают живыми клетками сразу, а не капают биоматериалами из пипетки на напечатанную на принтере конструкцию и ждут, пока что-то вокруг нее образуется. Сегодня такой способ печати является общепринятым.

— Что нужно иметь, чтобы напечатать орган?

— Раньше, чтобы напечатать книгу, нужно было иметь бумагу, чернила, пресс, металлические буквы (литеры) и, конечно, текст книги. Чтобы напечатать орган, требуется то же самое, только вместо текста у нас компьютерная программа, вместо бумаги и чернил — биочернила, а вместо пресса — биопринтер.

Биопринтер — это по сути шприц, которым робот двигает в трех направлениях и который по сигналу выдавливает гель с клетками. Он должен иметь роботическую систему позиционирования: либо картезианскую систему — вперед, назад, вверх, вниз, вправо, — либо роботическую руку, где 6–8 степеней свободы. Компьютер все это интегрирует. Биопринтер должен находиться в стерильной среде: либо в специальном кабинете, либо в ламинар-боксе. Комбинацию биоматериалов, из которых создаются органы, называют биочернилами (англ. bioink).

— Как создаются биочернила и на что они похожи?

— По консистенции биочернила сравнимы с зубной пастой, что позволяет держать форму. После печати биочернила полимеризуются и становятся похожими на студень. Если вы хотите, чтобы форма напечатанного объекта точно соответствовала тому, что вы планировали получить, вам придется использовать комбинацию, которую клетки не очень любят. Можно использовать гидрогель — биочернила, на 95% состоящие из воды. Живым клеткам комфортно в гидрогеле, но напечатанный объект похож на тающее мороженое. Поэтому нужно найти компромисс: вызвать быструю полимеризацию материала, но так, чтобы клетки выжили. Некоторые исследователи предлагают печатать объекты в космосе, другие — их замораживать, третьи пытаются найти какой-нибудь нетоксичный химический катализатор.

Создать биочернила сложно. Это похоже на приготовление студня. Из хрящей и костей животных при долгой варке выделяется коллаген, благодаря которому бульон застывает, и получается холодец. Точно так же биочернила должны быстро полимеризоваться и застыть после печати. Биочернила можно сделать как из биологических, так и из синтетических материалов. В натуральных чернилах часто используется фибрин — белок, который образуется при свертывании крови. Когда фибрин контактирует с раствором тромбина, сразу происходит полимеризация. Также применяется гиалуроновая кислота и хитозан. Синтетические биочернила делаются из нейтрального материала — полиэтиленгликоля, который нагружается разнообразными молекулами, чтобы он был биосовместимым и удобным для печати.

Чернила можно сделать даже из децеллюляризированных органов, которые извлекают из свиней и человеческих трупов. С помощью детергента Triton X-100, использующегося в стиральных машинах, растворяют содержащийся в клетках жир. Остается только тканный каркас: капсула органа, перегородки органа и сосуды, основным компонентом которых является коллаген. Преимущество этого метода в том, что можно делать чернила специально для конкретного органа. Но у него есть множество недостатков. Во-первых, где брать человеческие органы для этих целей? Если брать у трупов, необходимо тщательно проверять их, чтобы не было болезней. Во-вторых, как их стандартизировать? Любой промышленный продукт должен иметь гарантированное качество, а если очень большая вариабельность, то трудно предсказать, что получится.

Еще можно брать клетки у больного и заставить их синтезировать аутологичный внеклеточный матрикс, который при пересадке не вызовет иммунного отторжения. Эти клетки могут создавать матрикс, типичный для хряща, кости, жировой ткани и так далее. И наконец, можно создать любой биоматериал, такой как натуральный коллаген, методами синтетической биологии. Но Роберт Лэнгер из MIT утверждает, что это случится не так скоро, как нам бы хотелось.

— И какой из этих способов наиболее эффективный?

— Я считаю, что самый перспективный способ — это создание биочернил из собственных тканей человека. Например, после липосакции у пациента остается жир, из него можно получить коллаген и хранить его в специальном банке тканей. Что-то случилось — берете коллаген из банка и печатаете. Но пока эта технология очень дорогая.

Органы в пробирке

— Популярная и любимая в среде популяризаторов тема — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (IPS), из которых можно вырастить клетки любых органов и тканей. В свою очередь, IPS можно получить из любых других клеток организма путем генетического перепрограммирования. Можно ли соединить этот метод с 3D-биопринтингом и даст ли это положительные результаты?

— Японский ученый Синъя Яманака получил свою часть Нобелевской премии за решение очень важной этической проблемы. Использование эмбриональных стволовых клеток, которые берутся из оплодотворенной яйцеклетки, существующей всего несколько суток, запрещено в некоторых странах по этическим соображениям. Яманака научился получать такие клетки с помощью всего-навсего четырех генов из любых клеток живущих взрослых организмов. То есть я могу взять у себя биопсию щеки, выделить клетку соединительной ткани, добавить туда четыре фактора Яманаки, и у меня получается индуцированная стволовая клетка, из которой через какое-то время можно сделать мою копию.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — это, конечно, мечта. Но, во-первых, она дорогая, и не так просто сделать такие клетки для каждого — японцы заплатили за этот эксперимент 900 тысяч долларов. Во-вторых, нужно изменить сразу несколько генов. При этом предположить, что с генами ничего не будет, — это значит плохо знать биологию. Как только Яманака получил Нобелевскую премию, японцы стратегически решили, что их страна должна быть мировым лидером в регенеративной медицине. Все процедуры упростились, построили много исследовательских центров. В 2014 году они сделали сетчатку из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и пересадили ее слепой женщине. Она стала видеть. Но когда сетчатку пересадили второй женщине, возникли мутации, то есть проявилась нестабильность генома. Клинические исследования пришлось прекратить.

— Какие органы можно сделать уже сейчас?

— Есть сложные органы, есть простые. Самый простой орган — кожа: дерма из соединительной ткани и эпидермис из эпителия. Можно печатать хрящи: там вообще только один тип клеток — хондроциты. А вот с костями все сложнее: нужна васкуляризация, то есть формирование кровеносных сосудов. Кожу и хрящи делают уже сейчас.

Швейцарская компания Codon создает хондросферы — группы хондроцитов. Эти хондросферы можно капать из пипетки прямо на место повреждения хряща, без каких-либо гидрогелей или скаффолдов, и через два года хрящ регенерирует — естественным образом восстанавливаться он не может. Уже было сделано 15 тысяч пересадок, и 75% были успешными. Технология утверждена в Европейском союзе. Но она сложновата: во-первых, берут зрелые клетки хряща, что означает еще одно повреждение в организме пациента, а во-вторых, из крови пациента необходимо получить сыворотку для выращивания клеток вне организма. Ее можно сделать более дешевой и быстрой и менее инвазивной, если использовать не хондроциты, а хондробласты — дифференцированные стволовые клетки, которые уже коммитированы стать хрящом, но еще имеют способность делиться и размножаться. Наши исследования показали, что эти клетки могут расти в любой среде.

— Недавно была новость, что стартап Biolife4D напечатал «работающее мини-сердце». Это пиар или реальное достижение?

— Сейчас очень странная волна. Сначала Тал Двир из Израиля сказал, что он напечатал человеческое сердце. Правда, напечатанный им орган был размером с сердце кролика, без клапанов и кровеносных сосудов. Но поскольку он внешне похож на сердце человека, он его так и назвал. Biolife4D сделали клапан сердца и показали, что анатомически это одно и то же. Чтобы сердце сокращалось 60 раз в минуту в течение долгих десятилетий, нужны мощные коллагеновые волокна. А они немножко сдавили получившийся студень и сказали, что есть какие-то похожие механические свойства. Мне кажется, что это ерунда.

Смелые перспективы

— Реально ли вырастить мясо искусственным способом и насколько это будет питательно, полезно и экономично?

— Сегодня много компаний выращивают мясо — Memphis Meats, Gabor Forgacs. Но я говорил об этой возможности еще 11 лет назад. Когда-то на меня вышла PETA (People for ethical treatment of animals). Эта организация ведет борьбу за права животных и протестует против убийства животных в научных целях. Мне предложили: «Вот я даю биопсию своей мышцы — выделите оттуда миобласты. И мы сделаем в The New York Times статью, что вы напечатали гамбургер». Я ответил, что у меня нет лицензии врача и я не могу взять биопсию. Кроме того, заниматься hi-tech-каннибализмом я не хочу: не вижу смысла есть самого себя. В конце концов PETA выделила нам грант, и мы стали разрабатывать технологию.

Миобласты — это примитивные клетки, из которых образуются мышечные волокна. Есть пять съедобных клеток: цыпленок, свинья, корова, ягненок и индейка. Чтобы сделать из миобластов мышечные волокна, надо положить их рядом и провести механическую или электрическую стимуляцию. Миобласты должны на чем-то расти — мы придумали stimuli-sensitiv носитель из хитозана, который работает как фитнес-центр. Мы сажаем туда клетки, изменяем температуру и заставляем их приседать. Все это должно находиться в питательной среде в биореакторе, который контролирует кислород, температуру, кинетику движений. Но для этого требуется очень крупный грант. Я писал во все компании, организовал симпозиум, ездил в NASA Food Center. Но мне сказали, что на Марсе планируется выращивать растения, и отказали в гранте.

Сейчас все говорят о глобальном потеплении. Животные продуцируют очень много парниковых газов. Искусственное выращивание мяса в промышленных масштабах, возможно, могло бы снизить это количество. С другой стороны, процесс выращивания мяса полностью под контролем, что обеспечивает стерильность. У меня была мечта: вечером я закладываю замороженные сфероиды — 30% свинины, 20% говядины и так далее — в биореактор вроде кофемашины, а к утру там уже готовый кусок мяса, который можно приготовить в микроволновке.

— Возможна ли печать несуществующих у человека органов? Например, эльфийских ушей?

— Есть такая возможность. Со мной общался австралийский художник Стеларк. Он говорит: хочу напечатать на щеке ухо и с ним разговаривать. Я отказался, объяснив ему, что там проходят нервы и после такого вмешательства лицо перекосит. В конце концов он нашел того, кто напечатал ему ухо на руке.

Можно делать более серьезные вещи — например, лечить диабет с помощью искусственно выращенных органов. Поджелудочная железа состоит из двух частей: одна экзокринная, которая вырабатывает пищеварительные соки, а вторая эндокринная — это островки Лангерганса, производящие инсулин. В проекте Isletor мы не делаем всю поджелудочную железу, только эндокринную часть. Наш доктор-коллаборатор взял индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, добавил туда нужные гены. И у него появилась клетка, которая синтезирует инсулин, причем реагирует на концентрацию глюкозы. Он сделал тканевый сфероид из этой клетки и пересадил его под капсулу почки мыши. У него в экспериментальной модели диабета второго типа, когда тетрациклин индуцирует диабет, 5 месяцев был нормальный уровень глюкозы. Я даже хотел стать волонтером.