В Москве состоялась уже третья научная конференция по биопринтингу и биофабрикации, проводимая совместно лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Инновационным центром «Сколково». Профессор Ганноверского университета им. Лейбница, заведующий отделом нанотехнологий Лазерного центра Ганновера Борис Чичков и научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions профессор Владимир Миронов рассказали о ключевых технологиях, использующихся при лазерной печати живыми клетками, и достижениях в этой области.
3D-биопечать является направлением регенеративной медицины, куда также входит клеточная терапия и инжиниринг тканей, сообщают «Вести.Ru».
«Биопечать органов отличается от тканевой инженерии тем, что используется роботическое устройство, то есть технология основана на роботах. Второе, недостаточно использовать робота, нужно использовать и информационную технологию, то есть каждый строительный блок вкладывается согласно цифровой модели», — рассказал Миронов.
Основная идея биопечати, или биопринтинга, – это сбор тканей и органов из конгломератов клеток, подобно конструктору. По словам Миронова, биочернилами называются тканевые сфероиды (плотно упакованные агрегаты живых клеток), способные к самосброске, а биобумагой – гидрогель, в который внедряются «капли» живой материи. Саму сборку можно осуществлять на биопринтерах. Кстати, в 2014 году был представлен первый отечественный 3D-биопринтер под названием FABION.
Причём же тут лазерная печать трёхмерных структур? «Мы используем технологию, которая называется двухфотонная полимеризация. С помощью этой технологии можно создавать настоящие трёхмерные структуры», — говорит Чичков.
Двухфотонная полимеризация — это лазерный метод изготовления трёхмерной структуры по заранее разработанной модели.
По словам Чичкова, таким способом можно не просто напечатать трёхмерную структуру, но и «проструктурировать» её внутри. «Это позволяет создавать трёхмерные скаффолды», — говорит он. Слово scaffold переводится с английского языка как «строительные леса, помост», проще говоря, «скаффолд» — это поддерживающая структура.
Отметим, что скаффолды – это трёхмерные матрицы, основная функция которых состоит в обеспечении механического каркаса для клеток.
В России уже есть три системы трёхмерной печати. В частности, одна из них находится в Институте проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН).
Такая технология позволяет создавать гибридные полимеры.
«Мы разработали эти материалы. Они обладают таким свойством, что если вы в компьютере создали какую-то модель, то можете напечатать её в материал. При этом сжатие структуры практически отсутствует», — рассказывает Чичков. Кроме того, можно создавать трёхмерные структуры: размер элемента может быть меньше, чем 100 нанометров.
По словам учёного, одной из самых интересных областей применения для этой технологии уже в ближайшие годы может стать создание так называемых органов-на-чипе. Такое устройство поможет смоделировать поведение целого человеческого органа (например, при приёме тех или иных лекарств).
Что необходимо для лазерной печати живыми клетками? Матрица — биологическая основа, которая должна быть идентичной натуральной, иными словами, состоять из собственных клеток человека.
«Также необходимы клетки и биоактивные материалы. Можно использовать, например, мышь или человека в качестве биореактора, куда этот скаффолд можно поместить», — объясняет Чичков.
Поясним, каков процесс печати живыми клетками. На верхней тонкой полоске материала помещается гидрогель с живыми клетками в нём. Внизу располагается подложка, на которую будет наноситься печатаемый объект. Под воздействием лазерного импульса, слой, абсорбирующий энергию, создаёт ударную волну. Она в свою очередь переносит биообъекты (каплю с клетками) на нижнюю подложку.
Но не всё так просто. «Одна из основных проблем состоит в том, как потом внедрить в полученный скаффолд кровеносные сосуды», — говорит Чичков.
По его словам, сейчас учёные вкладывают много усилий в развитие этого направления. Эксперименты показывают, что иногда получаются хорошие капилляры, иногда – нет. «В принципе, я надеюсь, что это будет возможно», — добавляет он.
Ключевые преимущества лазерной печати живыми клетками в том, что можно работать с произвольным количеством клеток и с материалом любой вязкости. «Это означает, что можно положить в гидрогель очень много клеток, и мы можем создавать большую концентрацию клеток. Технология гарантирует высокую выживаемость клетки: после печати стволовыми клетками они остаются в культуре в течение нескольких дней. Мы наблюдаем, что структура остаётся такой же, какой она и была. Эти стволовые клетки можно потом дифференцировать в хрящ или кость. Эта технология совместима со всем, что вы можете делать со стволовыми клетками», — отмечает Чичков.
По его словам, технология не влияет на клетки. «Она оказывает даже некий стимулирующий характер на клетки, но доказать это экспериментально довольно трудно. Во всяком случаем, все согласны с нашим заключением, что лазерная печать не влияет на клетки», — говорит он.
Также важно, что лазеры позволяют автоматизировать процесс печати. «Все ваши машины сегодня свариваются лазером, здесь то же самое», — рассказал учёный.
Если биопечатью сегодня, в общем-то, никого уже не удивишь, то вот новыми проектами исследователи собравшихся поразили. Так, Чичков сообщил о «печати» землёй и микроорганизмами. Дело в том, что на сегодняшний день учёными культивирован всего один процент из существующих микроорганизмов. Остальные 99% остаются за бортом исследований. Сложность состоит в том, что в крохотном объёме почвы содержится целая вселенная микроорганизмов, изучить каждый отдельный вид в этом случае крайне сложно. А вот если измельчить землю…
«То, что мы можем печать маленькие кусочки земли, на которой находится всего лишь несколько микроорганизмов, позволяет нам получить доступ к новым видам микроорганизмов и затем культивировать их. И мы надеемся, что на этом пути будут созданы новые антибиотики», — говорит Чичков.
Миронов также заинтриговал новым проектом под названием «тканевый пистолет» (tissue gun). «Мы решили создать что-то, чего никогда не было. Чем известна Россия? Тем, что мы производим автомат Калашникова. А мы хотим создать то, что делает абсолютно противоположное — tissue gun. Но как он работает и что там внутри, мы пока не расскажем», — заинтриговал слушателей учёный.
Ещё один интересный проект связан с проблемой облысения. По словам Чичкова, для того чтобы вырастить волосы в коже, необходимы клетки, которые «создают» корень волоса. Для этого необходимо использовать «мешочки», в которых можно будет выращивать волосяные луковицы (фолликулы). «Такие элементы были созданы командой Миронова. Их назвали капиллинсеры (capillinser)», — рассказал Чичков.
По словам Миронова, название «капиллинсер» образовано от слов «волос» (capillo на латыни) и «вставка» (insertion).
Одна из возможных технологий борьбы с облысением будет таковой: «Берётся кожа, делается дырки лазером, туда вставляется капиллинсеры с клетками дермоса и эпидермиса, волос начинает расти, а капиллинсеры деградирует. Через какое-то время на Земле вообще не будет людей, которые не имеют волос», — рассказывает о новом проекте российский учёный.
Конечно, когда лазерная печать живыми клетками перестала быть научной фантазией и стала вполне реальной, возник вопрос: «Можно ли напечатать человека и что для этого потребуется?». «Человек весом в 100 килограммов состоит из десяти в четырнадцатой степени клеток. И сегодняшние технологии позволят напечатать массив человека за два часа сорок семь минут. Конечно, это не будет человек в прямом смысле слова, это будет просто клеточный конгломерат. Но, тем не менее, это вполне реально», — заключил Чичков.
