Биочернила. Скульптинг живого

17.02.2023

Биочернила. Скульптинг живого
Биопринтер марки «Envisiontec»

Технологии биопринтинга относят к фронтиру медицины. Это значит, что 3D-печать живых органов достаточно развита, чтобы приносить ощутимые результаты, но всё ещё далека от совершенства. Совершенству, как известно, пределов нет. Его нельзя достичь, но к нему вполне возможно приблизиться. Регенеративная медицина раскроет свой потенциал в тот момент, когда мы научимся создавать сложные органы, пригодные к трансплантации.

О том, как работает биопринтер, пишут много и часто. «На пальцах» его можно сравнить с моторизированным шприцем или клешнёй робота, что двигается в трёхмерном пространстве и располагает клетки на своеобразной матрице-каркасе. В реальности всё немного сложнее.

Главное отличие биопринтинга от обычной 3D-печати состоит в том, что он оперирует живыми клетками. Все они лавируют между ростом и гибелью, умудряясь при этом выполнять свои функции. Именно здесь кроется главная трудность биопечати. Её субстрат — не простой полимер, который можно облучить ультрафиолетом, закрепив нужную форму. Побывать в картридже. Пройти через печатающую головку. Оказаться в необычных условиях ростовой камеры. Всё это — значительный стресс для клеток, что попросту не приспособлены для таких испытаний.

▎Как же «помирить» биологию с механическим производством?

Учёные задались этим вопросом примерно в то же время, как появилась концепция биопринтинга. Ответом стали «живые чернила». Биопечать началась с тканевой инженерии. Её смысл заключается в расположении клеток на скаффолде. Скаффолд чем-то напоминает строительные леса, окружающие здание. Его кирпичиками будут клетки.

Трёхмерная визуализация скаффолда

В нашем теле эту функцию выполняет коллаген. Коллаген относится к фибриллярным белкам. Грубо говоря, он является ожерельем из аминокислот. Такие связанные бусины формируют нить коллагена. Молекула состоит из трёх левозакрученных альфа-цепей. Каждый виток содержит три аминокислотных остатка.

Это актуально для коллагена как такового. Если закопаться поглубже в биохимию, то можно выяснить: коллаген бывает разным. Компании, которые занимаются его производством, создают коллаген с отличающимися свойствами. Оттого, насколько чистым и предсказуемым будет полученное вещество, зависит сфера его применения.

Например, коллаген марки «VISCOL» применяют двумя путями. В первом случае он идёт на создание трёхмерного каркаса ткани. Во втором его смешивают с клеточной культурой, получая нетоксичный и биосовместимый студень. Он полимеризуется при температурах до 37 ^ОС, образуя стабильную сетку с ячейками около 300 микрон.

Уникальное преимущество линейки заключено в её естественности. Показатели pH среды максимально приближены к физиологическим значениям. Поэтому каркас не нуждается в процедурах нейтрализации и пригоден к моментальному засеванию клетками.

В классическом Viscol используется свиной коллаген первого типа. Viscol-S отличается от иных продуктов линейки тем, что его можно получить из коровьего, свиного, мышиного или даже человеческого коллагена первого типа. Для того чтобы клетки не заскучали в отрыве от дома, каркас дополняют факторами роста вроде фиброконектина, фибриногена или ламинина.

Животные частенько дают медицине разные вещества, которые потом идут на производство лекарств и биологически активных добавок. Преимущества этого подхода моментально перетекают в недостатки. Первым из них является чужеродность ксенотрансплантанта, который может вызвать иммунный ответ.

▎Значит, нужно использовать человеческие белки. Но кто сказал, что их можно взять только у человека?

Нил Джоши из Гарвардского университета пошёл другим путём. Он взял кишечную палочку E. Coli и заставил её синтезировать белки внеклеточного матрикса CsgA-Alpha вместе с CsgA-gamma. К ним прикрепили домены фибрина — вещества, благодаря которому жидкая кровь образует тромб.

Кишечные палочки, прошедшие генетическую модификацию, выделяют противораковый препарат азурин. Он подавляет избыточный рост клеток, не давая им плодиться сверх меры. Помимо азурина, бактерии вырабатывают вещества, связывающие токсичный бисфенол. Любое производство неотделимо от отходов. В нормальных условиях продукты распада уносятся с кровью, но в условиях биолаборатории приходится утилизировать мусор на месте.

Кишечная палочка вырабатывает азурин. Иллюстрация из актуальной статьи

Эта технология снимает ряд ограничений с биопечати. Пользуясь методом Джоши, учёные извлекают все необходимые вещества из кишечной палочки. Она синтезирует гидрогель, делает его пригодным для жизнедеятельности клеток и обеспечивает им условия для контролируемого роста. Такая экономичность значительно удешевляет биопечать.

По консистенции биочернила похожи на зубную пасту. Чтобы сделать из них что-то полезное, в ход идут информационные технологии. Существуют две философии позиционирования, которые не отменяют, а дополняют друг друга.

Картезианская система предусматривает движения вперёд, назад, вверх-вниз и вправо-влево. В этой системе координат положение каждой точки описывается её расстоянием до двух взаимно перпендикулярных осей. Шаговый двигатель перемещает печатающую головку. Компьютер интегрирует системный код и переводит его на язык, понятный механическим частям принтера.
Роботическая система несколько сложнее. Она предусматривает 6-8 степеней свободы, но её механизмы основываются на сходном математическом принципе.

Клеточная культура довольно уязвимая для бактериальных атак. Если допустить инвазию, новоявленный орган получит крайне злобных и агрессивных жильцов. Чтобы этого не случилось, биопринтер ставят в ламинар-боксе или стерильном помещении. Правила асептики и антисептики никто не отменял. Легче не допустить заражения, чем героически с ним бороться.

С одной стороны, клетки для печати должны быть живыми. С другой — поддаваться обработке. Клетки неплохо чувствуют себя в гидрогеле, состоящем из воды на 95%. Но такой гидрогель похож на сметану. Полимеризация, отлично работающая в классическом принтинге, моментально приводит к отмиранию клеток. Они просто не выживут в жёстком окружении. Впрочем, сделать мягкое твёрдым возможно и без грубых вмешательств.

Для этого есть вариант с применением фибрина. Встретив тромбин, он образует биополимер по той же схеме, что лежит в основе свёртывания крови. Химический же подход основан на применении полиэтиленгликоля с различными добавками, которые активизируют пролиферацию клеток.

Злейшим врагом биопечати стала гравитация. Она заставляет гидрогель растекаться, а клетки — оседать как взвесь. Некоторые технологии принтинга обкатываются в космосе, где невесомость сводит на нет силу притяжения. Беда в том, что цена орбитального запуска уходит в астрономические величины. Несложно догадаться, сколько будет стоить орган, выращенный на орбите и спущенный оттуда.

Сложности с тканевым каркасом удалось обойти, применяя децеллюляризированные органы. Для этого берут орган человека или свиньи. Детергент Triton X-100 растворяет билипидные мембраны. После останется только отмыть полученный каркас от того, что вытекло из убитых клеток.

▎Но где достать орган?

Очевидным источником является трупный материал. Здесь биопечать становится неотделимой от трансплантологии. Беда в том, что трупов не хватит на всех желающих, не говоря о том, что орган следует быстро извлечь и законсервировать. К тому же нет никакой гарантии, что умерший донор вёл здоровый образ жизни и не страдал опасными заболеваниями.

Именно поэтому лучшим способом доставать материал для биопечати были и остаются ткани самого пациента. Мы вырабатываем огромное количество «родного» коллагена. Владимир Миронов, доктор медицины и руководитель лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions» предлагает «отмывать» коллаген из жира, взятого при липосакции. Дальше этот строительный материал будет храниться в банке тканей до тех пор, пока не понадобится пациенту.

Рациональная идея, но трудновыполнимая. Кто будет содержать эти центры, не говоря о логистике? О государственных гарантиях речи не идёт. Остаются лишь частные фирмы. Большой вопрос, какую сумму они потребуют за свои услуги.

Швейцарцы из компании «Codon» решили изменить процедуру регенерации, обойдясь без биопечати вообще. Её сотрудники помещают хондроциты на место повреждения хряща. В течение двух лет хрящ восстанавливается, получив необходимое «подкрепление» со стороны. К 2022 году было сделано более 15 тысяч пересадок, и в 75% случаев они были успешными. Это хороший результат, особенно для новой технологии.

Пока что биопечать хорошо показывает себя в создании простых и нетребовательных тканей. Например, кожи и хрящей. Здесь открываются волнующие перспективы на стыке биопринтинга и эстетической медицины. Она занимается не только улучшениями внешности, но и модификациями тела.

Австрийский художник Стелларк обратился в «3D Bioprinting Solutions» со странной просьбой. Маэстро хотел себе ухо на щеке. После долгих споров он согласился, что идея была слишком эпатажной даже для него. Поэтому Стелларк получил ухо на руке. Оно, разумеется, не слышит. В нём нет акустических рецепторов и нервов, которые провели бы сигнал в головной мозг. Заявка Стелларка показала, что в обществе существует определённый спрос на «невозможные» органы. На Земле хватает личностей, которые не отказались бы от эльфийских ушей, свиного пятачка или зубов как у пираньи. Более того — они готовы хорошо платить за то, чтобы отойти от природного облика.

Стелиос «Стеларк» Аркадиу и третье ухо

Как ни странно, биопечать способна дать мощный толчок не только медицине, но и пищевым технологиям. Её методы подходят для выращивания мышечной ткани. Мышечная ткань, полученная искусственным путём, будет нефункциональной. Нынешний этап развития технологий плохо подходит для создания нервов и кровеносных сосудов. Но зачем они мясу? Ему чувствовать строго не обязательно.

▎Мясо в лаборатории

Зоозащитная организация «PETA» давно борется с эксплуатацией животных. Если верить «зелёным», бойни — это варварство, позорное для XXI века. Кто-то переходит на вегетарианство, но большинство людей вряд ли откажется от мяса. Накормить голодных и не допустить убийств можно, вырастив мясо, которое никогда не жило.

Компания «Memphis Meat» работает именно в этой сфере. Мышечная ткань вырастает из миобластов. Клетки сидят на технологичном носителе из хитозана. Изменяя температуру в биореакторе, учёные заставляют клетки сокращаться. Так получается нечто вроде мягкого фарша. По вкусу он будет неотличим от говядины, потому что он и есть говядина.

Искусственный фарш. Тем не менее, он полностью идентичен натуральному

Стерильность производства гарантирует, что мясо получится безопасным и лишённым паразитов. Им попросту неоткуда взяться в лаборатории. Такой же способ открывает дорогу к продуктам, что доступны далеко не всем хотя бы из-за аллергии. Ресторан «Twins Garden» прославился тем, что печатал кальмаров на биопринтере. Конечно, этот кальмар состоял из фасоли, но её текстура и вкус были максимально приближены к настоящему мясу.

Единственное, что объединяет фасолевого кальмара с обычным — форма, плотность тела и вкус

В перспективе биопринтинг может решить проблему голода на планете, особенно в условиях растущего населения и тающих ресурсов. Он же наверняка покажет себя в будущем, когда человек построит колонии на других мирах. Возить еду на Луну и тот же Марс крайне дорого и долго. Проще создавать её на месте.

Любая перспективная технология становится первопроходцем в совершенно новых областях знания. Прогресс неотделим от инноваций, когда в один момент появляются ответы на, казалось бы, неразрешимые вопросы. Но в большинстве случаев развитие науки строится на совершенствовании готовых наработок. 3D-принтинг вряд ли отойдёт от биочернил в обозримом будущем. Их недостатки хорошо известны, и в них же спрятаны точки роста. Как далеко зайдёт биопечать и насколько она поменяет нашу жизнь? Всё зависит от нынешних исследований и перспективных разработок в смежных областях.

Они попадают в фокус внимания не только учёных, но и финансистов. В любом случае работы ведутся, государства дают гранты, а научные сотрудники не сидят без дела. Как оно будет дальше — покажет время.

Автор: Никита Игнатенко

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS

Литература: