СЕРГЕЙ ЧАПЕК: 3D-БИОПРИНТИНГ – КАК СОЗДАТЬ ТРАНСПЛАНТАБЕЛЬНЫЙ ОРГАН?

Эксперт научно-исследовательской лаборатории ДГТУ «Инженерные технологии в медицине» Сергей Чапек о том, как можно производить живые ткани из гидрогеля.

– Что такое 3D-биопринтинг?

– 3D-биопринтинг – это технология создания объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати. Технология состоит в том, что вместо привычного для принтинга пластика мы используем гидрогель и живые клетки для создания трехмерной структуры (скаффолда). Гидрогель – это искусственный влагопоглощающий материал на основе гидрофильных природных полимеров, который способствует накоплению и сохранению влаги. Этот гидрогель используется в качестве биочернил, непосредственно того сырья, из которого получается конечный продукт.

– Для чего нужен 3D-биопринтинг?

– Это одна из самых перспективных технологий для выращивания и производства тканей и в перспективе – человеческих органов. Производство трансплантабельного органа – одна из важнейших задач, которая стоит сейчас перед наукой. Миллионы людей страдают от травм или повреждений тканей и органов, таких как повреждения периферических нервов и сердечные приступы. Но, к сожалению, доступность органов для трансплантации очень сильно ограничена. Для решения этой проблемы тканевая инженерия нацелена на производство заменителей тканей и органов для улучшения существующих подходов к лечению. Успехи в тканевой инженерии означали бы, что любой человек, у которого есть травма тканей или органов, может пойти в больницу, имплантировать инженерный заменитель в свое тело и тем самым полностью восстановить функцию здорового тела. Конечно, выращивание полноценного органа человека или животного, на мой взгляд, станет возможно очень нескоро. Однако в этой среде уже есть колоссальный прорыв – создание микроткани для индивидуального подбора лекарственной терапии во время лечения онкозаболеваний. Мы говорим о лечении сложных заболеваний, которые требуют изучения и подбора лекарственной терапии.

– Получается, что биопринтинг – это некий стык разных дисциплин?

– Именно. Биопринтинг – яркий пример междисциплинарного подхода к решению сложных задач. В нём сочетаются химия, физика, биология и технические науки, это некая конвергенция науки и технологий. Чтобы получить готовый продукт, нужно понимать его физические и биомеханические свойства. Думаю, что в перспективе появится профессия, «инженер в области биологической печати», которая станет логическим развитием направления тканевой инженерии. Это будут междисциплинарные профессионалы с бэкграундом из самых разных научных отраслей.

– Как осуществляется 3D-биопринтинг?

– Процесс можно разделить на 3 основных этапа: пре-биопринтинг, биопринтинг, пост-биопринтинг. Первый этап – подготовительный, составление модели для печати. Например, наша задача – напечатать трехмерный орган. Мы берем снимки компьютерной томографии и составляем из них 3D-модель. Второй этап – непосредственный принтинг с помощью биочернил: мы загружаем модель в программу для печати и получаем конструкт, состоящий из гидрогеля и живых клеток. Сам этот процесс очень быстрый, занимает максимум несколько десятков минут, в зависимости от сложности модели. Третий, пост-биопринтинг – мы берем конструкт и помещаем его в CO2-инкубатор, где созданы условия, как в живом организме, то есть температура 37 градусов и 5 процентов углекислого газа. Клетки начинают расти, и на выходе мы получаем, к примеру, микроткань.

– Возможно ли использовать 3D-биопринтинг в других областях, кроме медицины?

– Да, безусловно. Мы сейчас активно работаем над тем, чтобы расширить горизонты 3D-биопринтинга. Относительно недавно в мире появилось такое понятие, как green bioprinting, зеленая биопечать, в которой в качестве живых клеток в биочернилах используют не клетки животных и человека, а клетки растений. Мы уже провели несколько успешных экспериментов, используя в качестве модельного организма всем известную одноклеточную зеленую водоросль хлореллу (прим. - фото 2,3). Для чего нам это нужно? Первое – хлореллу можно использовать в агропромышленном комплексе для проращивания растений. Второе – хлореллу активно используют с середины 20-го века в качестве генератора кислорода в закрытых экосистемах. На сегодняшний день есть ряд научных публикаций, показывающих возможность применения хлореллы в качестве сателлита кислорода для работы с клетками животных.

– Как лично Вы пришли к 3D-биопринтингу?

– С 2016 года я активно занимаюсь аддитивными технологиями, а биопечать – это один из видов таких технологий, при которых мы добавляем материал, а не вычитаем, как при традиционных видах производства (фрезеровка и т. д.). Уже в 2016 году я пришел к выводу: чтобы добиться качественных результатов, нужно выходить из зоны комфорта. Моей зоной комфорта были исключительно инженерные технологии. Поэтому я решил соединить инженерные технологии, тот бэкграунд, который у меня уже был, с биологией и химией. Результатом стали разработанные в прошлом году принтеры для научных целей. Уже в 2019 году мы побывали на научной конференции по 3D-биопринтингу в городе Нанте (прим. - Франция), на которой представили модель бюджетного биопринтера. Стоимость производства такого принтера – в пределах 150 долларов, тогда как самый дешёвый коммерческий принтер стоит несколько тысяч.

– Что сейчас происходит в сфере 3D-биопринтинга в России и в мире?

– Отрасль новая, и в мире на сегодняшний день порядка 10 активных компаний, которые производят полноценные установки для 3D-биопринтинга. Зарегистрировано чуть больше 100 компаний и предпринимателей, занимающихся 3D-биопринтингом. Для мирового рынка это очень мало. Рынок довольно сложный: мало научиться печатать какие-либо конструкты, нужно понимать, какова их дальнейшая судьба, где это будет использовано. В России есть только одна компания, которая активно занимается биопринтингом - 3D Bioprinting Solutions. Это отцы-основатели российской биопечати, которые очень много сделали для 3D-биопринтинга и продолжают её развивать у нас в стране. ДГТУ сегодня ведет очень активную деятельность в этом направлении. У нас планируется много интересных проектов.