3D-биопечать — новое, бурно развивающееся направление регенеративной медицины, возникшее менее десяти лет назад.

3D-биопечать — новое, бурно развивающееся направление регенеративной медицины (см. «Наука и жизнь» № 11, 2013 г., статья «Биопечать вместо донорских органов»), возникшее менее десяти лет назад. Сегодня в работу над технологиями, материалами и техникой для биопечати вовлечены полтора десятка компаний в Северной и Южной Америке, Европе, Азии и России. Потенциальных заказчиков, с нетерпением ожидающих новых научных сообщений о развитии технологии, на порядок, а то и два, больше. Это не только медицинские учреждения, остро нуждающиеся в органах и тканях для пересадки, но и фармацевтические компании. Ведь проведение доклинических испытаний новых лекарств на напечатанных биоконструктах и отдельных органах, как ожидается, будет существенно дешевле, быстрее и даже эффективнее, чем на лабораторных животных. Пищевые компании тоже проявили интерес: почему бы не использовать биопечать для изготовления антрекотов?

Отечественный биопринтер ФАБИОН обладает точной системой позиционирования, снабжён видеокамерой, с помощью которой отслеживается и записывается весь процесс биопечати.

Структура щитовидной железы: слева — кровеносная сеть, справа — фолликулы, выстланные клетками эпителия — тироцитами.

Схема фолликула щитовидной железы, опутанного сетью кровеносных сосудов, через которые синтезируемый гормон попадает прямо в кровяное русло органа.

Упрощённая схема строения щитовидной железы, принятая для биопечати. На рисунке показаны одна входящая артерия и одна выходящая вена.

Однако главная цель развития технологии 3D-биопечати всё же пересадка тканей и органов, изготовленных из собственных клеток пациента, а потому не отторгаемых иммунной системой. Уже в марте нынешнего года лаборатория биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Cолюшенс» планирует начать работу по изготовлению щитовидной железы, используя технологию 3D-биопечати на биопринтере ФАБИОН собственной разработки.

ФАБИОН представляет собой многофункциональную систему, которая для создания органного конструкта может использовать различные «биочернила» — клеточные конгломераты (например, сфероиды) или суспензии отдельных клеток. Кроме того, с помощью специально разработанного программного обеспечения можно конструировать собственную компьютерную модель будущего органа или ткани или же импортировать готовые трёхмерные модели. «Биобумага» — специальный гель, на котором печатают органные конструкты, — в российском биопринтере распыляется из двух специализированных форсунок. Важное отличие нового биопринтера — раздельное распыление (или диспенсирование) клеточного материала и «биобумаги». Дело в том, что для полимеризации (затвердевания) гидрогеля его облучают ультрафиолетом, который опасен для клеточного материала, так как повреждает ДНК. Инженерное решение, найденное для отечественного биопринтера, исключает подобное повреждение.

Крошечная щитовидная железа, которая будет напечатана, предназначена для пересадки взрослой мыши. Именно эксперимент с живым организмом может подтвердить (или не подтвердить) работоспособность напечатанного органа (или, как его называют специалисты, органного конструкта). Для этого предварительно у мыши предполагается удалить или «выключить» с помощью инъекций радиоактивного йода её собственную щитовидную железу. Прямым доказательством работы напечатанного органа станет восстановление нормального уровня гормона щитовидной железы (тироксина) в крови животного. «Использование мелких животных в эксперименте значительно упрощает и удешевляет процесс биофабрикации функциональных тканевых конструкций», — пояснил научный руководитель лаборатории Владимир Миронов.

Предполагаемый размер будущей щитовидной железы совсем небольшой — несколько миллиметров.

Выбор щитовидной железы в качестве первого органа для биопечати связан с относительной простотой её организации. Структурная и функциональная единица щитовидной железы — фолликул, он синтезирует гормоны. Фолликулы объединены в анатомическую структуру с единым сосудистым руслом. Синтезируемые фолликулами гормоны поступают непосредственно в сеть кровеносных капилляров, буквально опутывающих каждый фолликул. Для экспериментальных целей, как полагают авторы исследования, помимо фолликул напечатанному органу достаточно иметь одну артерию (через которую поступает кровь) и одну вену (через которую кровь отводится от щитовидной железы). Остальными структурными элементами, в том числе нервными клетками и клетками лимфатической системы, пока можно пренебречь. Другой важный момент, принятый во внимание при выборе первого органа для биопечати, — это то, что функция щитовидной железы очень хорошо изучена. Например, известно, сколько приблизительно в щитовидной железе фолликулов и какого они размера у того или иного животного. Несложно оценить, сколько их нужно для достаточной выработки гормонов будущим имплантом.

Фолликулы щитовидной железы выстланы клетками тироцитами, которые и должны быть строительным материалом для будущего органа. Где их взять в достаточном количестве? На сегодняшний день используют три основных источника. Это эмбриональные экспланты* щитовидной железы, направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и клетки взрослого организма, которые с помощью генетического репрограммирования вернули в эмбриональное состояние (такие клетки называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками — ИПС-клетками). Фолликулы, материалом для которых служат ЭСК или ИПС-клетки, изначально не обладают сосудистой сетью, а приобретают её только после пересадки реципиенту. Поэтому напечатанный из таких фолликулов орган нельзя считать полноценным. Так что применение эмбриональных эксплантов щитовидной железы считается предпочтительным. «Фолликулы, которые можно использовать в качестве строительных блоков, уже васкуляризированы (то есть содержат сосудистую сеть. — Прим. ред.) с 15-го дня эмбриогенеза», — комментирует руководитель лаборатории.

Для формирования кровяного русла органной конструкции исследователи используют способность клеток эндотелия к самосборке в капилляры и в сосуды. Тканевые сфероиды с просветами внутри, как показали эксперименты, сливаются, образуя внутри будущего органа сосудистое русло.

Насколько работоспособен будет напечатанный орган, покажет мониторинг уровня вырабатываемого им тироксина в крови экспериментального животного. «Наши первые результаты мы планируем представить мировому научному сообществу на Втором Международном конгрессе по биопринтингу, который состоится в Сингапуре в июле 2015 года», — сообщил Владимир Миронов.

Комментарии к статье

* Эксплант — группа клеток, отделённая от материнского организма.

Статьи по теме

• Особенности национальной регенерации
• Регенеративная медицина в России
• Биопечать вместо донорских органов
• Напечатайте мне почку

№3, 2015