Трехмерные принтеры обещают человечеству революцию в самых разных областях: дизайне, строительстве, инженерии, моде. Но самая интригующая область их применения — это медицина. До сих пор не верится, что человеческий сустав можно напечатать примерно так же, как мы распечатываем годовой отчет или курсовую работу. А ведь в относительно скором будущем ученые собираются начать создавать таким образом почки и другие важные органы. «Репортер» побывал в первой российской частной лаборатории биопринтинга и узнал, что нужно делать, чтобы спасти миллионы людей

В маленькой лаборатории 3D Bioprinting Solutions на большом экране компьютера наблюдаю процесс печати. Струйка за струйкой какая-то мутная масса, похожая на вазелин, вырисовывает привычные очертания человеческого уха. Полоски геля ложатся друг на друга, и вот уже под форсунками 3D-биопринтера появляется объемная ушная раковина стандартной величины.

— Это не наше ухо! — доносится сзади взволнованный голос. Не успеваю обернуться, как человек в белом халате уже оказывается у компьютера и останавливает видеозапись. Мужчина поправляет халат и становится передо мной, полностью загораживая монитор. — Меня зовут Юсеф Хесуани, я биолог и исполнительный директор лаборатории.

— А чье оно? — я непроизвольно вытягиваю шею, чтобы все-таки заглянуть за его спину.

— Из лаборатории Института регенеративной медицины Университета Уэйк-Форест в Северной Каролине, которой руководит доктор Энтони Атала. Этот человек — пионер в деле создания живых тканей в искусственных условиях, он первый вырастил человеческий мочевой пузырь, который позже был пересажен пациенту. Но только у них принтер двухфорсунчатый, а мы сейчас разрабатываем пятифорсунчатый — он даст возможность отливать формы более сложные и делать это намного быстрее: на изготовление почки взрослого человека будет уходить не больше получаса. — После разъяснительного монолога Хесуани наконец-то отступает от монитора.

— Когда вы начнете что-то печатать? — оглядываю я комнату. В ней очень чисто и пахнет стерильностью, посреди большой светлый стол с компьютером, маркерная доска с какими-то расчетами и графиками. В углу полуторамет­ровый стеклянный куб, назначение которого мне неизвестно.

— К осени этого года принтер будет готов, тогда напишем к нему программу… — Юсеф осекается. — Но на самом деле то, что вы видели, нельзя назвать готовым ухом. Напечатать орган на принтере, пусть даже из живых клеток, еще полдела.

— В чем же тогда вторая половина этого дела?

— Ну, я неправильно выразился. Скорее печать — это малая толика главного, а все остальное и более сложное будет дальше… Вы сейчас поймете — пойдем, я вам всю лабораторию покажу, — пропускает меня вперед биолог.

— Печатать органы ведь не статуэтку из искусственного материала отливать. Биопечать — это работа с человеческими клетками, которые не слипаются так просто, как расплавленный пластик. Чтобы ими вообще можно было печатать, наши сотрудники вот здесь создают из них биочернила и биобумагу, — Юсеф открывает дверь.

Клеточный коктейль

Красные кружочки, идеально гладкие, выстроены в несколько ровных рядов на темном фоне, их очень много. Это я наблюдаю в первом микроскопе. Заглядываю в другой прибор — там почти такие же, но зеленые и с растрепанными краями, похожи на кактусы.

Здесь, где столы уставлены стеклянными колбами и какими-то аппаратами с мигающими лампочками, мне разрешили в максимальном приближении оценить результаты работы с живыми клетками.

— Эти шарики называются сфероидами — тканевые конструкты, которые состоят из нескольких тысяч клеток. Это основной строительный материал живых тканей и органов. Из них и делаются биочернила, которые слоями будут ложиться на скрепляющий элемент, биобумагу, — основу из натуральных материалов, которая растворится в напечатанном органе. Мы решили отойти от печати именно клетками, — Юсеф выводит на экран компьютера изображение с микроскопа. — Вот эти зеленые шарики неровные, потому что они еще не откапсулированы гелем. Они сейчас представляют собой чистые клеточные образования, которые мы потом покрываем гелевой оболочкой и подгоняем под одинаковую величину и форму. А вот красненькие уже одеты в гель — видите, какие они ровные. Мы делаем сфероиды разноцветными при помощи растворов, потому что в них содержатся клетки разного типа и нам нужно отличать их друг от друга.

Ученые получают стволовые клетки из жировой ткани

— Почему лучше печатать сфероидами, а не клетками?

— Так у нас получится печатать сразу большим количеством клеток: в одном сфероиде их может содержаться порядка 6 тысяч. А еще это более физиологичный способ: клетки, прежде чем образовать ткани, сами собираются в сфероидные структуры. И тут мы предвосхищаем их естественное поведение, на шаг опережаем.

Я снова прилипаю к приборам. Цветные сфероиды, особенно если покрутить стекло, на которое они нанесены, напоминают горошинки, перекатывающиеся в калейдоскопе.

— Зачем сфероиды обязательно должны быть одинаковой формы и размера? — не отрываюсь я от картинок.

— Представьте, что вы построили дом из булыжников. Он будет крепким, но при этом, скорее всего, очень неровным, из щелей может сильно сквозить. Если же вы решите складывать дом из кирпичей, вам будет проще, а дом получится надежнее. Так вот, орган — это как дом. Он состоит из клеток нескольких типов, в каждом из которых клетки разной величины: они как разные булыжники. Но вот когда мы объединяем клетки в сфероиды, мы создаем из них одинаковые кирпичики. Мы просчитываем, сколько каких клеток нужно сложить в сфероид, чтобы он оставался той же формы, что и остальные. В одном сфероиде может быть 2 тысячи клеток эпителиальных, в другом 6 тысяч клеток нервной ткани. И мы ищем нужные пропорции.

— Похоже на коктейль…

— Да, именно, мы, как бармены, смешиваем ингредиенты, чтобы сделать разные органы, миксуем разные клетки. Первым органом, который мы напечатаем, будет печень. Поэтому сейчас мы делаем сфероиды из двух типов клеток печеночной ткани и сосудистых клеток, а потом в процессе печати их смешаем.

Безопасный жир

«Он повернул развитие вспять» — так про японского ученого Синъя Яманаку говорил весь мир, когда в 2012 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Ему удалось при помощи генов перепрограммировать взрослые клетки соединительной ткани человека, неспособные перерождаться в другие типы, в стволовые клетки — те самые плюрипотентные, подобные эмбриональным стволовым, из которых впоследствии может развиться множество различных тканей организма.

Вслед за Яманакой ученые из множества лабораторий стали проводить свои эксперименты и научились перепрограммировать кровяные клетки, клетки печени и нервной ткани. Ученые из лаборатории 3D Bioprinting Solutions тоже взяли за основу эту методику и теперь добывают стволовые клетки из жировой ткани.

— Это просто несколько сотен шагов вперед в деле регенеративной медицины, — говорит Юсеф. — Помните, не так давно ученых всего мира упрекали в безнравственности за эксперименты со стволовыми клетками, потому что их получали из абортивного материала или из эмбрионов, которые оставались после искусственного оплодотворения. И во многих странах ввели запрет на получение стволовых клеток. А теперь можно добывать их с чистой совестью: эмбрионы больше не нужны, мы берем аутогенные, то есть собственные клетки пациента, и индуцируем их — превращаем в стволовые. Ну а дальше еще один важный переход — мы их дифференцируем в клетки той ткани, которую нужно напечатать: сосудистой, нервной, например.

— А как быть с высоким процентом появления раковых клеток после такого перепрограммирования? Яманака писал об этом в Nature, такой метод пока очень опасен.

— Это так. Но японский профессор использовал в своем эксперименте человеческие фибробласты — клетки соединительной ткани. И менял в них генный ансамбль определенным способом. На основе его методики появилось множество ответвлений, и есть уже ряд технологий более безопасных. Вообще эта проблема из ряда задач, решаемых в очень близком будущем. Мы, например, начали использовать жировую ткань, которая является наименее онкогенной при перепрограммировании.

Кровь и нервы

В лабораторию вбегает еще один ученый, лысый и невысокий. Он очень напоминает Доктора Зло, но только с добрыми глазами и, надеюсь, с такими же намерениями.

Чашка Петри со сфероидами из нескольких тысяч клеток крови

— К клеточкам заходили? — быстро спрашивает он Юсефа и исчезает в комнате, где я несколько минут назад смотрела на сфероиды под микроскопом.

— Да, но мы очень осторожно, Сергей! — кричит ему вдогонку Хесуани и полушепотом обращается ко мне: — Это доктор Новоселов, он заведующий нашей исследовательской лабораторией. Не обращайте внимания на то, что мы такие нервные. Только-только начали получать результаты работы. У нас просыпается практически родительский инстинкт. — Юсеф улыбается и разводит руками. — Не знаю, мы как-то меняемся, когда здесь появляется посторонний. Оберегаем разросшиеся колонии стволовых клеток, как свое потомство.

— Да вы не бойтесь меня, — Новоселов выглядывает из комнаты уже совсем подобревший. — Я вижу, что вы молодцы: ничего не попортили. Заходите!

Доктор выключает в комнате свет и оставляет только настольную лампу, под которой разглядывает что-то в чашке Петри.

— М-м-м, это сфероиды с клетками кровеносных сосудов, — глядя на измазанную розоватой жидкостью стекляшку, как кот на сливки, доктор почти промурлыкал эти слова. — Должны нам очень помочь…

— Чем? — вторглась я в этот то ли монолог, то ли интимный диалог ученого с чашечкой Петри.

— Васкуляризация искусственно созданных органов. Это то, над чем сейчас во всем мире бьются ученые, занимающиеся выращиванием живых тканей. — Новоселов поднял на меня глаза. — Иными словами, это проведение сосудистого русла сквозь структуру органа, чтобы он полноценно подпитывался всеми необходимыми веществами через кровь. Конечно, в лабораторных условиях уже создают органы с сосудами, это технология выращивания клеток на матриксе — каркасе. Это когда берется здоровый донорский орган, из него специальными растворами вымывается все содержимое, исключая сосуды, а потом этот вот сосудистый каркас засеивается клетками пациента.

— Но ведь проб­лема отсутствия доноров в этом случае не решается: все равно нужен кто-то, у кого можно взять здоровую почку и переделать ее в другую.

— Верно, таким переделыванием решалась только проблема отторжения у пациента донорского органа. Орган на матриксе почти целиком сделан из собственных клеток пациента и хорошо принимается организмом. Сейчас ученые из Осакского университета и их коллеги из Бристольского университета предложили печатать на 3D-биоприн­тере сфероиды сразу нескольких типов клеток, включая сосудистые. Мы тоже работаем над этим способом, и есть очень большая вероятность, что, когда орган будет напечатан, сосуды начнут в нем развиваться сами, как и все остальные клетки. Если получится с сосудами, таким же образом попробуем заселить в орган и нервные окончания.

Искусственная утроба и голая мышь

Большой стеклянный куб в первой комнате оказался стерильным колпаком, под который поместят 3D-биопринтер.

— А куда будут деваться органы, когда они будут напечатаны? — спрашиваю я Юсефа, обходя вокруг этой огромной стеклянной коробки. — Вы ведь сами говорили, что напечатанный орган еще не готовый продукт.

— Да, клеткам надо будет срастись, органу — созреть. Это займет около месяца.

— И где органы будут зреть целый месяц?

— В биореакторе. Мы установим его прямо под принтером. Это такой инкубатор, можно сказать, искусственная утроба, в которой будут поддерживаться температура, влажность, оптимальные для органа, и главное, будет обеспечиваться перфузия — питание органа всеми необходимыми веществами. Сейчас есть множество биореакторов для разных задач. Аппарат, какой нам нужен, есть в Университете Бен-Гуриона в Израиле. Мы сотрудничаем с ними и, скорее всего, позаимствуем их технологию.
В общем, после того как месяц новый орган проведет в инкубаторе, его можно будет пересаживать человеку. Но первая печень, которую мы создадим, будет маленькой, и мы протестируем ее в естественном биореакторе.

— Это кто-то живой?

— Ага, это голая мышь — лабораторная, специально выведенная, с полным отсутствием иммунитета. Это почти то же самое, что инкубатор, ведь у нее нет защитных механизмов, которые будут атаковать только что пересаженные и еще неразвитые клетки. А еще, когда у нас появится большой искусственный биореактор, мы будем выращивать органы не только для трансплантации, но и для испытания на них новых лекарственных препаратов. Многие лекарства больше не нужно будет опробовать на людях.

Человек не тетрис

— Напечатанные почки могут получиться треугольными, печень — квадратной, а сердце — в виде ромбика, — увлеченно перечисляет Юсеф.

С каждым новым пунктом человеческий организм все больше напоминает мне детский конструктор с геометрическими фигурами.

— Разве это нормально? — пытаюсь остановить полет его фантазии.

— Вполне, главное — добиться максимальной функциональности органов: чтобы печень работала именно как печень, вырабатывала билирубин, желчные кислоты. А на что она внешне будет похожа, это и неважно.

Сергей Новоселов рассказывает о проведении в напечатанные органы сети сосудов

— Но ведь человеческий организм неспроста устроен так, как он устроен.

— Ну, во-первых, органы у разных людей далеко не одинаковой формы: у кого-то почки более вытянутые, у кого-то, наоборот, приплюснуты. Они и так разные, и это не мешает им работать как надо. Если, конечно, нет функциональных патологий. А во-вторых, человек же не тетрис. Если орган будет немного странной формы, он все равно встроится в общую систему, потому что организм — подвижная и эластичная конструкция.

— Вы собираетесь печатать все органы, востребованные сегодня для пересадки?

— Да. Но пока главная цель — создать человеческую почку, потому что это самый востребованный для трансплантации орган. Около 90% людей во всем мире, стоящих в очередях на пересадку, нуждаются именно в почках. Всего таких больных сегодня насчитывается около 3 млн. Среди них дети, которые умирают прямо в этих очередях, не дождавшись. И все эти люди надеются, что где-то скоро погибнет здоровый человек, от которого может достаться полноценная почка. По-моему, это весомый повод. А еще почка — один из самых сложных органов, структура у него намного более запутанная, чем у печени.

— И когда вы начнете печатать полноценные органы?

— Почка в нашей лаборатории, скорее всего, будет создана лет через 30. Но это без учета того, что мы или кто-то из наших парт­неров из университетов Израиля, Австрии, США, Бразилии или Японии можем внезапно сделать открытие в области клеточной биотехнологии, которое ускорит нашу работу. Тогда сроки появления первых полноценных 3D-органов могут стать ближе.

Человек напечатанный

Какие части организма уже воссоздают на 3D-принтере и что еще предстоит распечатать

Уши Первое ухо из живых хрящевых клеток напечатали в американском Медицинском колледже Вайля Корнелла в феврале 2013 года. Ушная раковина выглядела вполне как настоящая, но только была маленького размера — с ухо младенца. Чуть позже и немного по другой технологии, но тоже в США, в Центральном госпитале Массачусетса, было напечатано еще одно ухо, теперь уже обычной величины, как у взрослого человека. После этих экспериментов печатью ушей занялись и другие лаборатории в разных странах. Пока, правда, ни одно напечатанное ухо не было пересажено человеку, их вживляли только лишенным иммунитета мышам.

Мозг 1 млрд евро выделила Еврокомиссия зимой прошлого года на научный эксперимент Human Brain Project, в рамках которого за десять лет учеными должна быть создана точная модель человеческого мозга. Использование технологии трехмерной печати для этого дела не рассматривалось, а зря, ведь время изготовления органа могло бы сократиться. Тем более что почти год спустя нейрофизиологи из Университета Малайзии напечатали на 3D-принтере аналог мозга человека, только пока из искусственных материалов. Однако модель точно повторяет структуру и текстуру живого органа. Она предназначена для тренировки будущих нейрохирургов в проведении операций на мозге.

Челюсть Нижняя челюсть, изготовленная на 3D-прин­тере из биосовместимых материалов на основе титанового порошка, была имплантирована 83-летней жительнице Бельгии в феврале 2012 года. Это был первый случай, когда при помощи принтера челюсть воссоздали целиком, да еще и пересадили ее. Раньше методом трехмерной печати изготавливали лишь коронки и зубные мосты. На следующий день после операции пожилая пациентка уже могла жевать, глотать и говорить.

Печень Microtissue (в переводе с английского — «микроматерия») — так ученые из американской частной компании Organovo назвали напечатанную весной 2013 года на своем трехмерном биопринтере печень размером с полмизинца. Этот маленький орган удалось полностью пронизать кровеносными сосудами и добиться необходимой функциональности. Сейчас микропечень находится в биореакторе. А фирме Organovo, которая, к слову, стала одним из первых производителей 3D-биопринтеров, американские фармацевтические компании дали $0,5 млн на создание взрослой работающей человеческой печени. Появиться орган может уже в ближайшие 20 лет.

Лауреат Нобелевской премии 2012 года по медицине Синъя Яманака

Сосуды Кровеносные сосуды диаметром 2–3 мм были напечатаны в японском Университете Сага. В качестве чернил использовались взрослые стволовые клетки пациента. К 2018 году ученые планируют завершить доклинические испытания и начать пересадку напечатанных сосудов. Похожие разработки сейчас ведутся в научных лабораториях Германии и США. Тем не менее японский профессор Коичи Накаяма уже запатентовал свою технологию печати на территории Японии, США, Китая и Сингапура.

Череп 75% черепной коробки заменили американцу, попавшему в автокатастрофу в начале 2013 года. Имплантат напечатали из прочного медицинского полимера. В качестве модели для искусственного черепа использовали трехмерное изображение головы пациента, полученное во время компьютерной томографии. Незадолго до операции 3D-принтер OsteoFab, изготавливающий такие имплантаты, был одобрен американским Минздравом. Машина позволяет печатать берцовые, плечевые, локтевые и другие кости, то есть создавать протезы не только черепа, но и конечностей.

Глаз Напечатать целый глаз ничуть не легче, чем изготовить на принтере почку. Над этим, по прогнозам ученых из Кембриджского университета, придется трудиться еще лет 20. Однако в декабре прошлого года британцы смогли создать при помощи 3D-печати фрагмент сетчатки глаза. Пока эксперимент проводился с клетками мышей, но уже через несколько лет ученые собираются начать работу над воссозданием тканей человеческого глаза. Это может стать спасением для людей, полностью потерявших зрение из-за дистрофии сетчатки.

Сердце По расчетам Стюарта Уильямса, директора американского Института кардиоваскулярных инноваций, сердце можно будет напечатать на принтере уже через 10 лет. «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати — сердце. Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой», — заявил Уильямс в одном из интервью. Сейчас ученые работают над созданием мышечной ткани, из которой позже будут отлиты желудочки и предсердия. Крупные сосуды и клапаны будут печататься отдельно, а потом все эти части соберут в единый орган.

Кожа Профессор Университета Уэйк-Форест в Северной Каролине Энтони Атала одним из первых начал печатать на биопринтере кожу. Испытания с ней он проводил пока только на лабораторных мышах — замещал распечатанными кусочками кожи пораженные участки на теле животных. Но вскоре ученый планирует перейти к операциям на людях. Недавно на свои регенеративные проекты с использованием технологии 3D-печати Атала получил $24 млн от Министерства обороны США.

Почки Впервые этот орган удалось напечатать китайским ученым из Университета электроники и техники в Ханчжоу. Летом прошлого года руководитель эксперимента профессор Шу Минген представил миру

несколько маленьких человеческих почек — каждая величиной с фасолину. Несмотря на свой нестандартный размер, органы способны были выполнять необходимые функции: расщеплять токсины и выводить их из организма с мочой. Но просуществовали почки всего 4 месяца. Сейчас ученые устанавливают причину столь скорой гибели органов и планируют через 15–20 лет создать полноценные жизнеспособные человеческие почки реальной величины.

«Сначала я решил, что это безумие»

Александр Островский, генеральный директор диагностической лаборатории INVITRO и проекта 3D Bioprinting Solutions

По образованию медик. Пятнадцать лет проработал врачом-реани­ма­тологом в Институте нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко. В начале 1990-х, по словам Островского, у него «начался кризис профессионального среднего возраста», и он с несколькими своими коллегами решил поменять сферу деятельности — заняться коммерцией.

Основанная в 1991 году в партнерстве с товарищами, бывшими вра­чами, фирма «ОМБ» специализировалась на перепродаже в российские клиники медицинского оборудования.

В 1995 году Островскому удалось создать первую в России частную лабораторию медицинской диагностики INVITRO. Сейчас ее филиалы есть по всей России.

Зимой 2013-го компания INVITRO делала прогноз своего развития на ближайшие 50 лет. Во время форсайт-исследования кто-то из экспертов предложил заняться 3D-печатью человеческих органов.

— Я решил, что это безумие, — рассказывает Островский. — Потом начал изучать научные статьи на эту тему. Посмотрел последние исследования в области регенеративной медицины. Увидел серьезные результаты и к весне все-таки поверил и решился. К тому же, если не рисковать и все время бояться сделать шаг в далекое будущее, можно остаться на месте и ни с чем.

Так, осенью прошлого года мы запустили лабораторию 3D Bioprinting Solutions. Сейчас в ней работают несколько зарубежных ученых, в первую очередь это Владимир Миронов, американский профессор российского происхождения из Университета Виргинии, один из создателей первого 3D-биопринтера. А также биолог-сириец Юсеф Хесуани, израильские ученые, научные сотрудники австрийского
Университета Инсбрука.

— Вообще, мы работаем с целым рядом зарубежных лабораторий и институтов, как западных, так и восточных, — продолжает Островский. — Постоянно получаем у них консультации, делимся своим опытом. Мы полностью открыты для сотрудничества и не пытаемся как-то засекретить свои разработки. Потому что наша главная цель состоит не в том, чтобы начать штамповать органы на продажу, а в том, чтобы создать комфортную рабочую среду для ученых. Грамотно выстроенная научная среда — это всегда внекультурная вещь. Мы хотим, чтобы у нас, как и в любом другом нормальном международном научном сообществе, было комфортно трудиться, ведь эти люди не конкури­руют, а решают важную для всего мира задачу — работают над быстрым способом изготовления живых, функционирующих человеческих органов, который может навсегда избавить больных людей от потребности в донорах.