Прорыв в биопечати. Ученые впервые создали ткань человеческого мозга

Американским биологам удалось напечатать на биопринтере первый в мире образец искусственной нервной ткани, которая растет и передает сигналы так же, как человеческий мозг. У российских ученых, стоявших у истоков биопринтинга, есть не менее значимые достижения.

Идея российского ученого

В последние годы бурными темпами развиваются новые методы регенеративной медицины — клеточная трансплантация, терапия стволовыми клетками, 3D-биопринтинг. Последний отличается от медицинской трехмерной печати, создающей прототипы, модели органов, тем, что с его помощью получают биоактивные ткани и органы, способные выполнять свои природные функции.

Технология предусматривает создание объемных тканей и органов путем последовательного нанесения слоев биочернил, состоящих из различных типов клеток, на каркас из бисовместимого материала. Первым такой подход предложил российский ученый Владимир Миронов, опубликовавший в 2003-м в сборнике Trends in Biotechnology основополагающую работу о трехмерной биопечати.

В настоящее время Миронов — научный руководитель Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС и лаборатории биотехнологических исследований компании 3D Bioprinting Solutions. Под его руководством компания разработала и в 2014-м представила первый российский биопринтер FABION.

"Живая" печать

Сегодня исследования в области 3D-печати функциональных тканей и органов проводят в России, США, Японии, Китае, Южной Корее, Франции и других странах. Ученые уже прошли первый этап — освоили печать "плоских" биоматериалов, таких как кожа или хрящевая ткань, и приступили к клиническому внедрению его результатов. Например, американцы два года назад напечатали ухо и имплантировали живому человеку.

Специалисты МИСИС совместно с Национальным медицинским исследовательским центром оториноларингологии ФМБА России также напечатали искусственное ухо, но в качестве доклинических испытаний пока имплантировали его не человеку, а минипигу — карликовой домашней свинье.

Уникальной стала разработанная в университете технология печати искусственной кожи непосредственно на теле пациента. Первую в мире операцию по биопечати in situ с помощью роботизированной руки, также созданной в МИСИС, провели в прошлом году в Главном военном клиническом госпитале имени академика Н. Н. Бурденко в Москве.

Этапы развития

Большинство исследовательских групп в мире сейчас находятся на втором этапе развития технологий биопринтинга — осваивают производство полых трубчатых органов, таких как кровеносные сосуды, элементы пищевода, кишечника, трахеи, периферической нервной системы.

Естественные ткани и органы в организме человека пронизаны кровеносными сосудами, которые обеспечивают питание, снабжают кислородом, отводят продукты жизнедеятельности.

"Те, кто научится хорошо и быстро печатать кровеносные сосуды, быстрее перейдут к третьему, самому сложному этапу биопринтинга — созданию искусственных органов", — объясняет директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Федор Сенатов.

В 2015-м в лаборатории института на отечественном принтере FABION напечатали первый в мире искусственный орган — щитовидную железу. Подсаженная лабораторной мыши, она в полной мере функционировала и продуцировала гормоны. В настоящее время ученые МИСИС работают над искусственной опухолевой тканью, которую планируют использовать для испытания лекарственных препаратов.

"Ежегодно в мире тестируют около десяти тысяч кандидатов на противоопухолевые лекарства, однако только пять процентов проходят первую стадию клинических испытаний, — рассказывает исполняющая обязанности заведующего научно-образовательной лабораторией тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС, доктор биологических наук Елизавета Кудан. — Во многом это связано с отсутствием адекватных in vitro моделей. Методом биопечати можно создавать сложные структуры, которые будут в значительной степени отражать архитектуру нативной опухолевой ткани, что позволит гораздо более точно предсказывать активность препаратов, тем самым сократив время и стоимость доклинических исследований".

Эксперимент в Сеченовском университете

Параллельно в разных странах идут эксперименты по созданию фрагментов функциональных органов — печени, почек, сердечной мышцы. Недавно в Институте регенеративной медицины Первого МГМУ имени И. М. Сеченова лабораторной мыши пересадили конструкт (искусственно созданный элемент) печени, напечатанной на 3D-биопринтере.

Ученые института планируют распространить эксперимент на большее количество животных. Цель — создать биоэквивалент печени для испытания лекарств. Такое устройство, способное реагировать на препараты подобно настоящему органу, позволит изучать реакции клеток печени человека на препараты без проведения тестовых испытаний на животных.

"Сегодня доклинические исследования на лабораторных животных — необходимый этап при создании новых лекарств, — поясняет заведующая лабораторией прикладной микрофлюидики Института регенеративной медицины Сеченовского университета Анастасия Шпичка. — Но с точки зрения гуманного к ним отношения во всем мире стараются развивать направления, связанные с разработкой систем типа "орган-на-чипе".

Конструкт, созданный учеными университета, состоит из двух компонентов. В качестве биочернил использовали гидрогель на основе внеклеточного матрикса печени, сохраняющий состав и структуру белков природного органа. Второй компонент — органоиды — структурные единицы формируемой печени, способные к росту и самоорганизации. В них входят три типа клеток печени: гепатоциты, а также мезенхимные стромальные и эндотелиальные клетки, необходимые для поддержания гепатоцитов и формирования кровеносных сосудов.

"Такие особенности делают конструкты печени релевантными для моделирования процессов регенерации и применения в качестве платформы для тестирования лекарственных препаратов, — говорит руководитель дизайн-центра "Биофабрика" Института регенеративной медицины Полина Бикмулина. — А в долгосрочной перспективе возможно использование разработанной технологии для создания искусственных донорских органов".

Подобные эксперименты в мире проводят несколько научных групп, но пока никому не удалось получить полноценный орган для трансплантации человеку.

Печать ткани мозга

Недавно американские биологи сообщили о создании первого в мире образца искусственной нервной ткани, в основе которой — нейроны и глиальные клетки, выращенные из плюрипотентных стволовых клеток человека. Напечатанная на биопринтере ткань разрастается и функционирует как человеческий мозг: формирует нейронные связи — синапсы — и передает по ним сигналы.

Ученые разработали технологию последовательного нанесения нескольких горизонтальных слоев, сложенных разными типами клеток. Это позволило получить тонкую структуру, обеспечивающую проникновение кислорода и питательных веществ.

"Авторы использовали оригинальный метод биопечати, — комментирует Елизавета Кудан. — Обычно в подобных случаях стремятся напечатать многослойные трехмерные структуры, состоящие из нескольких вертикально расположенных слоев. При таком подходе возникает проблема с некрозом в центральной части структур, поскольку кислород и питательные вещества за счет пассивной диффузии проникают только на 150-200 микрометров".

Еще одно ноу-хау американских ученых — мягкий гидрогель, способный, с одной стороны, сохранять форму конструкции, а с другой — поддерживать жизнеспособность клеток, обеспечивать условия для пролиферации нейронов и формирования синапсов между ними.

"Получаемая ткань достаточно прочная, чтобы сохранять структуру, и в то же время достаточно мягкая, чтобы позволять нейронам срастаться друг с другом и обмениваться сигналами", — отмечает руководитель исследования Су-Чун Чжан, нейробиолог из Вайсмановского центра Университета Висконсин-Мэдисон.

"Мы напечатали кору головного мозга и полосатое тело, и то, что мы обнаружили, было поразительным. Клетки, принадлежащие разным частям мозга, поддерживали "общение" друг с другом определенным специфическим образом", — продолжает ученый.

Авторы считают, что их технологию могут использовать и другие лаборатории, так как она не требует какого-то специального оборудования, кроме обычного биопринтера. Она предоставляет нейробиологам новый инструмент для изучения связей между клетками головного мозга, что потенциально приведет к созданию более эффективных способов лечения многих неврологических и психиатрических расстройств, а также нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона, отмечают исследователи.

"Для изучения здорового состояния и болезней нам нужна надежная модель живых нервных тканей человека, поскольку животные модели не могут полностью воспроизвести сложность человеческого мозга", — пишут авторы статьи.

В нашей стране биопечатью нервной ткани занимаются ученые из Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА России в кооперации с коллегами из МИСИС. Они разработали инновационный подход, основанный на использовании в биочернилах не отдельных клеток, а сфероидов — плотно упакованных шарообразных клеточных агрегатов, которые уже представляют из себя кусочки готовой ткани. Печать проводят на биопринтере отечественного производства.