Работы по 3D-биопечати органов должны получить Нобелевскую премию. Интервью с биоинженером Владимиром Мироновым

Впервые опубликовано 14.09.2023 г.

В первом месяце нового года предлагаем вспомнить интервью, которые больше всего понравились читателям «Научной России» в ушедшем 2023 г. 

В 2000 г. американский биоинженер Томас Боланд понял, что размер человеческой клетки сопоставим с каплей чернил. Тогда он заправил клеточным раствором свои принтеры от Lexmark и HP и напечатал фрагмент ДНК. Через три года технологию запатентовали и описали. Одним из авторов первых работ по биопечати стал Владимир Александрович Миронов, российский ученый-биоинженер в области трехмерной биопечати, ведущий эксперт Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Национального исследовательского технологического университета МИСИС, научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и лауреат премии Международного общества биофабрикации. В интервью мы коснулись следующих тем: как из живых клеток можно напечатать орган на замену донорскому, почему спустя 20 лет прорывная технология так и не совершила революцию в медицине, что нужно для того, чтобы биопечать вошла в клиническую практику, и т.д. 

— Что такое 3D-биопринтинг и в чем необходимость таких технологий?

— Трехмерную биопечать можно определить как роботическую послойную биофабрикацию трехмерных тканей и органов из биоматериалов и живых клеток согласно цифровой модели. Сюда в том числе входят аддитивные технологии, то есть послойная печать, и цифровые, поскольку без цифровой модели робот не будет ничего печатать, а также область робототехники, к которой и относятся принтеры, осуществляющие печать.

— Получается, это междисциплинарная область?

— Да. Смысл в том, что в одиночку человек ничего не напечатает, необходима командная работа специалистов разных областей. 

Когда мы говорим о необходимости таких технологий, вспоминаем Джозефа Мюррея, который в 1954 г. пересадил почку от одного близнеца другому. Трансплантация прошла успешно, и с тех пор появилась наука трансплантология — раздел медицины, изучающий проблемы трансплантации органов. 

Важно понимать, что пересаженные органы успешно помогают людям жить дальше, однако необходимо принимать препараты, подавляющие иммунную систему во избежание отторжения органа. Интересный факт: на самом деле первым в мире пересадил почку Юрий Юрьевич Вороной в 1931 г., но пациент скончался, так как не было совместимости с донорским органом. Можно сказать, что мы были на 20 лет впереди. В 1967 г. Кристиан Барнард впервые успешно пересадил человеческое сердце, а в Советском Союзе пересадку осуществил Валерий Иванович Шумаков в 1987 г. Так что сначала мы на 20 лет опережали, а потом нагоняли.

Необходимость в биопечати возникает, в первую очередь, из-за нехватки донорских органов. Это острая проблема трансплантологии. Желающих получить новый орган гораздо больше, чем их количество. 

Нехватка органов — не только медицинская, но и криминальная проблема. Бедные нации продают свои органы, чтобы выжить, а преступники на этом наживаются. Если мы научимся печатать органы, проблема будет решена раз и навсегда. 

— Они будут дешевле, чем на черном рынке?

— Если пересаживать почку от другого человека, необходимы иммуносупрессивные препараты. Из-за них страдает иммунная система, а самое страшное — падает резистентность к раку. Человек получит здоровую почку, но вместе с тем риск развития рака. И что лучше? 

Подсчитано, что напечатанные органы для реализации будут дешевле донорских в два раза. Сейчас компании, продающие искусственные почки, купаются в деньгах. Гемодиализ очень дорогой, необходимо выполнять процедуру три раза в неделю, десять лет процедур обойдутся в $1 млн. 6% всей медицинской помощи США уходят на лечение терминальных стадий заболевания. А напечатанный орган обладает наиболее высокой биосовместимостью, поскольку сделан из клеток пациента. 

С точки зрения рынка, например, в Китае 2 млн человек стоят в очереди на донорскую почку. Ее стоимость составляет порядка 250 тыс. — это невообразимые деньги. И это только в Китае. А еще есть больные в Европе, Америке, Латинской Америке, арабских странах.

С одной стороны, биопечать — очень выгодный бизнес, с другой — он снижает стоимость лечения для медицинской системы. То есть если человеку пересадить почку, он выздоравливает и ему больше не требуется дополнительное лечение. 

Есть еще один бенефит — сегодня на наших глазах появляется новая индустрия для молодых специалистов high-paid high-tech job («высокие технологии с высокой зарплатой»). Мы как раз занимаемся их подготовкой. Я переживал, что готовить людей, у которых в данный момент нет работы, поскольку биопечать органов еще не вошла в клинику и не вышла в производство, нехорошо. Но у нас будет работа, ведь в прошлом году произошло уникальное событие: в июне 2022 г. американская компания 3DBio Therapeutics впервые смогла пересадить 20-летней мексиканке Алексе, страдающей микротией, новое ухо, напечатанное на 3D-биопринтере. С помощью клеток, так называемых биочернил, и цифровой модели второго уха удалось буквально напечатать новый орган. 

Работа была опубликована в The New York Times. Когда я спросил, почему материал не вышел в медицинском журнале, мне ответили, что нужно подождать год, — не факт, что ухо будет держать форму. 

Во Франции уже печатают кожу для военных целей, в Южной Корее напечатанную кожу используют для лечения диабетической язвы стопы, в Китае печатают кровеносные сосуды, и, наконец, в Японии сделали нервный кондуит. То есть пять компаний в прошлом году начали печатать «клинику». Я начал заниматься биопринтингом в 2003 г. И только спустя 20 лет это стало реальностью, это уже не science fiction, как говорили раньше.

Недавно ученые из Тель-Авива напечатали маленькое сердце и опубликовали исследование в журнале Science. К ним пришел президент Израиля и пожал руку профессору Талю Двиру. Но на самом деле сердцем там и не пахнет. 

—  Оно нефункционально? 

— Механические свойства сердца отсутствуют. Должен быть клапан, а его нет, вместо кровеносных сосудов — загогулина. 

В обзорной статье Таль Двир пишет, что есть три варианта развития биопечати. Первый — никакого внедрения. Второй вариант — напечатаем все. Третий — что-то напечатаем, а что-то нет. И вот я думаю, что третий вариант — уже реальность. Как сказал директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест Джон Энтони Атала, органы человека можно разделить по степеням сложности. Первая группа — плоские. 

— Кожа?

— Да. Вторая — полые: пищевод, мочевой пузырь и т.п. Третья — солидные: печень, сердце, почка. Вот и получается: кожу мы уже напечатали, трубчатые органы тоже.

— А из солидных органов что уже напечатали? Только кроличье сердце? 

— Ничего. Если мы говорим о печени, о почке, легких — они состоят из артериальной системы, венозной системы и выводных протоков. Это очень сложно. 

— Технологически это пока невозможно? Или в чем сложность? 

— Габор Форгач, венгерский биоинженер и мой соавтор, говорил: «Органы напечатать нельзя, потому что это очень сложно». У меня вопрос — для кого? А сделать атомную подводную лодку или авианосец сложно? Думаю, не сложнее. 

Вы спрашиваете, техническая эта проблема или нет. Я склонен говорить, что нерешаемых технических проблем в биопечати нет. Здесь проблема — деньги и регуляторика, разрешение.

Но мне кажется, что есть еще одна проблема. Если мы захотим напечатать сложный орган, необходимо использовать живые клетки, биоматериалы. И их нужно откуда-то брать. Например, когда собирают автомобили, рядом есть много компаний, выпускающих разного рода детали. Если создавать завод по производству органов, то должно быть много других маленьких заводов, которые бы снабжали специалистов по биопечати материалами. Либо нужно иметь очень много денег, чтобы в одном месте делать все сразу. 

Проблема в том, что я, например, медик. Ну какие программы я могу написать? Необходимо создать постоянную команду, члены которой общаются между собой, и чтоб она хорошо финансировалась и имела четкие сроки.  

Но тот факт, что мы можем печатать простые органы, — это уже клиническая реальность. Однако в декабре этого года я боролся за то, чтобы начать работы по печати кожи. Даже придумал эксперимент: натереть волдырь, вскрыть его, а затем напечатать кожу. Но специалисты, занимающиеся гидрогелем, клетками, принтерами, сказали: «Наши компоненты не сертифицированы». А как сертифицировать, никто не знает. «Нельзя. А почему? Потому что нельзя».

Это еще одна проблема. Мне как ученому невыгодно заниматься трансляцией. Это очень дорого, рискованно, и я не люблю заниматься бумажной работой. К тому же никто не знает, какие бумаги нужны. И ученые тратят на это время и забывают о научной работе. Получается, что ученые «бегут», а внедрение отстает. 

Как сказал мой первый начальник, «есть наука, и есть люди в науке, и от второй проблемы никуда не денешься». Думаю, что в биопечати проблемы больше не технологические, а человеческие. При такой строгой сертификации есть только один выход. Если мы не можем печатать так, как это делают в Америке, надо печатать иначе — прямо в операционной. 

— Потому что не нужно искать собственное стерильное помещение?

— Да. Во-вторых, отпадает необходимость в биореакторе и процессе доращивания клеток в инкубаторе. А когда говорят, что в операционных можно напечатать только кожу, это неправда. Уже можно напечатать волосы, ухо. Недавно китайцы показали, что можно заходить эндоскопически и печатать на язве.

— То есть восстанавливать внутренние органы? 

— Да, эта технология называется in situ — печать в реальном времени прямо в операционных. 

— Это клинически разрешено? 

— Ничего не разрешено. 

В нашей лаборатории есть три прибора, два принтера и одно устройство ручной печати, скорее дисперсии. Эту технологию нельзя назвать принтером, потому что в процессе не участвует робот и нет цифровой модели. Но это дешево и дает возможность восстанавливать раны, ожоги в зонах чрезвычайных ситуаций.

— Вы про тканевый пистолет? 

— Да.

— В чем ключевая разница между традиционной 3D-печатью и 3D-биопечатью?

— Самое главное отличие в том, что в обычной послойной печати можно использовать и металл, и пластик, а при работе с живыми клетками количество ограничений зашкаливает. Поскольку клетки должны быть жизнеспособны, нельзя использовать химические вещества, высокую температуру. 

Главная проблема биопечати в том, что мы печатаем жидким гидрогелем с примесью живых клеток, так называемыми биочернилами. При этом после печати орган, напечатанный из жидких живых материалов, должен стать твердым. Клетки не любят жесткую структуру и умирают, в жидком состоянии клетки «счастливы», но форму не держат. И найти оптимум — главная задача. 

— Как затвердевали те органы, которые уже напечатали? Вы печатали щитовидную железу для мыши. Как это было?

— Когда мы печатали щитовидную железу для мыши, использовали свиной коллаген и живые клетки мышиного эмбриона. Представляете размер щитовидной железы мыши? А мы под микроскопом выделяли ее дольку. Никто пока не смог повторить наш эксперимент. Чтобы проверить функциональность, мы использовали метод радиоактивной абляции, то есть облучили щитовидку мышки йодом и полностью вытравили ее. Уровень тироксина в крови упал до нуля. После трансплантации напечатанной щитовидки он поднялся на 50%, то есть щитовидка заработала. 

— В своих интервью вы часто проводите аналогию с печатью Гутенберга. Расскажите о компонентах печатного процесса в биопринтинге. Что такое биочернила? 

— Термин «биочернила» придумал я, но изначально у меня была другая дефиниция. Чтобы напечатать книгу, нужны текст, бумага, чернила, пресс и литера. И я подумал: если мы хотим напечатать орган, по аналогии нужны чернила, но под чернилами я понимал клетки, а под бумагой гидрогель. Однако ученые настояли, чтобы это все было вместе и называлось «биочернила», такой гидрогель, состоящий на 95% из воды и живых клеток. И, конечно, для печати нужны цифровая модель и биопринтер. Эту аналогию я часто использовал. И когда меня спрашивают, откуда пришла идея, я отвечаю: «Все украл у Гутенберга, но креативно».

— Переработали. 

— Теперь у нас есть памятник Ивану Федорову, одному из первых книгопечатников. Чем будет отчитываться медицинская наука за XXI в.? Я считаю, что с точки зрения прогресса самой прогрессивной технологией стала трехмерная биопечать.  

— Какие клетки берутся за основу биочернил?

— Есть классификация клеток — собачьи (ксено), аллогенные клетки, полученные от донора, они экономически эффективны, поскольку можно создать банк по группе крови. И самые простые — ауто, стволовые. В Америке по этому поводу разгораются скандалы, что нельзя использовать ауто, только эмбриональные. Но поезд уже ушел, нужно было еще до рождения озаботиться о своем будущем и заморозить один бластомер, клетки эмбрионов на этапе дробления зиготы. Но в конечном счете как к этому относиться? Если использовать эти клетки, они же принадлежат человеку? Значит, ты «убийца»? 

Американцы придумали эмбриональные стволовые клетки: брать соскоб со щеки и вводить туда «три гена Синъи Яманаки» — так они начинают вести себя как эмбриональные. Но гарвардские ученые говорят, что эмбриональные индуцированные клетки нестабильны, есть риск возникновения опухолей. 

Поэтому самый лучший метод получения клеток — липосакция, из аутологичных клеток можно сделать хрящ, кость, жир. Правда, мозг, сердце — сложнее. 

— В чем главная проблема использования биоматериалов человека? 

Компания из Швеции делала из индуцированных клеток печень, почки. И мы оценили стоимость клеток, из которых можно сделать печень, это порядка $20 млн. Ну кто мне как ученому даст такие деньги? А, например, если я сделаю какую-нибудь кожу, открою производство, автоматизирую его, внедрю в рынок, тогда стоимость продукта снизится и технология станет доступной. 

Наша задача как ученых — создать технологию, которая, во-первых, работала бы, во-вторых, была доступна, в-третьих — безопасна, затем автоматизирована и прочее. А нам говорят: «Вы расслаиваете общество, убиваете младенцев». Я не занимаюсь алюминием, я самолеты строю, а алюминий делают другие. Ученым все равно, из чего печатать. Технология должна быть стандартизирована, а где стандартизация, там и автоматизация, и цены упадут до реальных значений.

Биопечать уже в клинике, внедрение — это не столько технологический, сколько сложный культурно-человеческий вопрос. В Америке нельзя было делать пересадку сердца, а когда в Южной Африке его пересадили, в США поменяли законы. Анатомия тоже одно время была запрещена церковью. Но при этом сейчас священнослужители удаляют аппендикс. А почему тогда запрещали изучать анатомию? 

То же самое с эмбрионами. В Англии можно использовать их в научных целях, а в Бельгии, Бразилии, Ватикане, если ученый работает с эмбриональными клетками, он убийца. Это не научный вопрос. Ученые используют клетки, которые работают, а какие разрешат использовать — это уже культурологический и юридический вопросы. 

Полагаю, что все законы и этические принципы зависят от технологического прогресса. Но я не хочу ничего менять. Я как ученый делаю свое дело, а потом выношу на суд, пусть народ и решает, пользоваться моими разработками или нет. Но мне в ответ — ты придумал эту технологию? Ты за все отвечаешь: и за рынок, и за этические вопросы. Проблема в том, что, если ученый начинает заниматься этическими проблемами, возникает конфликт интересов, потому что я хочу создать и ввести технологию. 

Когда я был в Америке, часто слышал фразу «Наука не готова». А когда будет готова — неизвестно, технология еще недостаточно изучена. И я не знаю, как решать эти проблемы. 

— Сколько еще лет нужно, чтобы технологию наконец изучили?

— Этот вопрос меня бесит. Как говорит мой брат, это неправильная постановка вопроса. Не «сколько лет», а сколько денег. Если вы мне не дадите ни копейки, то процесс будет бесконечным. А если дадите миллиард рублей и десять лет, то сделаю. 

Уже сегодня создают кожу, хрящ, сосуды, заплатки на сердце, то есть все плоское, трубчатое и полое. Это клиническая реальность. Но как в Китае, Южной Корее, Франции и Америке получили разрешение, я не знаю, они не раскрывают своих секретов. 

Есть средний срок: сначала мы напечатаем всю кожу, волосы, уши, нос, затем начнем эндоскопически пробираться внутрь организма и печатать на язвах. Потом начнем делать лапаротомию, печатать заплатки на сердце, печени. А человек, который напечатает функциональный орган, пересадит его, и человек не умрет, получит Нобелевскую премию. 

Наше нововведение — мы предложили технологию магнитной левитации. Если сфероиды могут сливаться и образовывать блямбы, некие куски неправильной формы, можно совместить акустику и магнитную левитацию. Сначала они соберутся в колечко, затем в трубочку, затем в две ветвящиеся трубочки, так можно получить орган за 30 секунд.

— В 2018 г. 3D Bioprinting Solution впервые отправили магнитный биопринтер «Орган.Авт» на МКС. Как это было? 

— Нидерландский физик советского происхождения Андрей Гейм в 1997 г. опубликовал статью «О летающих лягушках и левитронах», после которой в 2000 г. получил Шнобелевскую премию за использование магнитов для того, чтобы заставить лягушку левитировать. Весь мир сказал: «Какой дурак изучает, летает лягушка в магнитном поле или нет?». А когда мы прочитали, подумали: «А если наши сфероиды будут летать?» Взяли два китайских магнита — ничего не летало. Один ученый из Гарварда сказал, что нужно добавить парамагнитное вещество — токсичный гадолиний. Когда мы его добавили, все летало, но клетки погибали. 

У нас было несколько вариантов, Первый — найти нетоксичный гадолиний, но мы не нашли. Второй вариант — пойти по стопам Андрея Гейма и использовать большой магнит. Третий — использовать космические полеты. 

Мы предложили «Роскосмосу» провести эксперимент, но они поставили условия — 2 млн рублей и десять лет. Но потом подключилась частно-государственная инициатива и они доставили наш принтер в космос. 

— Что удалось напечатать в невесомости? 

— Сначала напечатали хрящ, затем щитовидку из раковых клеток, затем пленки, бактерии, мясо. Мы были в космосе шесть или семь раз. 

— Куда двигаться дальше? Какие основные тренды биопечати вы видите сегодня?

— Есть тренды, которые я не люблю.

— Какие?

— Это называется spin-off. Например, вместо органов печатают мясо, это отвлекает от главного. 

В дальнейшем количество компаний возрастет, начнется конкуренция. В военное время особенно важно лечить раны и ожоги, то есть тот же тканевый пистолет становится актуальным.

Я видел американский ролик, в котором показывается, как к раненому подлетает вертолет и прямо на поле боя оперирует солдата. Тогда у меня появилась дикая идея совместить квадрокоптер с биопринтером. Вторая безумная идея возникла, когда китайцы научились эндоскопически заделывать язву. Я подумал, что с помощью магнитов можно было бы управлять пилюлей в теле человека, находить язвы и залечивать их.

— Печать солидных органов — главное направление биопечати? 

— Количество клеток для солидного органа стоит 20 млн. Кто будет их печатать за такие деньги? Но вот если бы мне дали 10 млн, десять лет, команду и оборудование — я бы сделал. Но два органа я делать не хочу — это мозг и сердце, это очень сложно.

Фото на странице: Елена Либрик / «Научная Россия», nexusplexus / фотобанк 123RF, Ольга Мерзлякова / «Научная Россия».