В Сколково рассказали о лазерной печати живыми клетками

Биопринтинг считается участниками конференции ключевой технологией, которая станет основой регенеративной медицины будущего
(фотография 3D Bioprinting Solutions).

В Москве состоялась уже третья научная конференция по биопринтингу и биофабрикации, проводимая совместно лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Инновационным центром "Сколково". Профессор Ганноверского университета им. Лейбница, заведующий отделом нанотехнологий Лазерного центра Ганновера Борис Чичков и научный руководитель Лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions профессор Владимир Миронов рассказали о ключевых технологиях, использующихся при лазерной печати живыми клетками, и достижениях в этой области.

3D-биопечать является направлением регенеративной медицины, куда также входит клеточная терапия и инжиниринг тканей.

"Биопечать органов отличается от тканевой инженерии тем, что используется роботическое устройство, то есть технология основана на роботах. Второе, недостаточно использовать робота, нужно использовать и информационную технологию, то есть каждый строительный блок вкладывается согласно цифровой модели", — рассказал Миронов.

Основная идея биопечати, или биопринтинга, – это сбор тканей и органов из конгломератов клеток, подобно конструктору. По словам Миронова, биочернилами называются тканевые сфероиды (плотно упакованные агрегаты живых клеток), способные к самосброске, а биобумагой – гидрогель, в который внедряются "капли" живой материи. Саму сборку можно осуществлять на биопринтерах. Кстати, в 2014 году был представлен первый отечественный 3D-биопринтер под названием FABION.

Причём же тут лазерная печать трёхмерных структур? "Мы используем технологию, которая называется двухфотонная полимеризация. С помощью этой технологии можно создавать настоящие трёхмерные структуры", — говорит Чичков.

Двухфотонная полимеризация — это лазерный метод изготовления трёхмерной структуры по заранее разработанной модели.

По словам Чичкова, таким способом можно не просто напечатать трёхмерную структуру, но и "проструктурировать" её внутри. "Это позволяет создавать трёхмерные скаффолды", — говорит он. Слово scaffold переводится с английского языка как "строительные леса, помост", проще говоря, "скаффолд" — это поддерживающая структура.

Отметим, что скаффолды – это трёхмерные матрицы, основная функция которых состоит в обеспечении механического каркаса для клеток.

В России уже есть три системы трёхмерной печати. В частности, одна из них находится в Институте проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН).

Такая технология позволяет создавать гибридные полимеры. "Мы разработали эти материалы. Они обладают таким свойством, что если вы в компьютере создали какую-то модель, то можете напечатать её в материал. При этом сжатие структуры практически отсутствует", — рассказывает Чичков. Кроме того, можно создавать трёхмерные структуры: размер элемента может быть меньше, чем 100 нанометров.

По словам учёного, одной из самых интересных областей применения для этой технологии уже в ближайшие годы может стать создание так называемых органов-на-чипе. Такое устройство поможет смоделировать поведение целого человеческого органа (например, при приёме тех или иных лекарств).

Что необходимо для лазерной печати живыми клетками? Матрица — биологическая основа, которая должна быть идентичной натуральной, иными словами, состоять из собственных клеток человека. "Также необходимы клетки и биоактивные материалы. Можно использовать, например, мышь или человека в качестве биореактора, куда этот скаффолд можно поместить", — объясняет Чичков.

Поясним, каков процесс печати живыми клетками. На верхней тонкой полоске материала помещается гидрогель с живыми клетками в нём. Внизу располагается подложка, на которую будет наноситься печатаемый объект. Под воздействием лазерного импульса, слой, абсорбирующий энергию, создаёт ударную волну. Она в свою очередь переносит биообъекты (каплю с клетками) на нижнюю подложку.

 

Но не всё так просто. "Одна из основных проблем состоит в том, как потом внедрить в полученный скаффолд кровеносные сосуды", — говорит Чичков.

По его словам, сейчас учёные вкладывают много усилий в развитие этого направления. Эксперименты показывают, что иногда получаются хорошие капилляры, иногда – нет. "В принципе, я надеюсь, что это будет возможно", — добавляет он.

Ключевые преимущества лазерной печати живыми клетками в том, что можно работать с произвольным количеством клеток и с материалом любой вязкости. "Это означает, что можно положить в гидрогель очень много клеток, и мы можем создавать большую концентрацию клеток. Технология гарантирует высокую выживаемость клетки: после печати стволовыми клетками они остаются в культуре в течение нескольких дней. Мы наблюдаем, что структура остаётся такой же, какой она и была. Эти стволовые клетки можно потом дифференцировать в хрящ или кость. Эта технология совместима со всем, что вы можете делать со стволовыми клетками", — отмечает Чичков.

По его словам, технология не влияет на клетки. "Она оказывает даже некий стимулирующий характер на клетки, но доказать это экспериментально довольно трудно. Во всяком случаем, все согласны с нашим заключением, что лазерная печать не влияет на клетки", — говорит он.

Также важно, что лазеры позволяют автоматизировать процесс печати. "Все ваши машины сегодня свариваются лазером, здесь то же самое", — рассказал учёный.

Если биопечатью сегодня, в общем-то, никого уже не удивишь, то вот новыми проектами исследователи собравшихся поразили. Так, Чичков сообщил о "печати" землёй и микроорганизмами. Дело в том, что на сегодняшний день учёными культивирован всего один процент из существующих микроорганизмов. Остальные 99% остаются за бортом исследований. Сложность состоит в том, что в крохотном объёме почвы содержится целая вселенная микроорганизмов, изучить каждый отдельный вид в этом случае крайне сложно. А вот если измельчить землю…

"То, что мы можем печать маленькие кусочки земли, на которой находится всего лишь несколько микроорганизмов, позволяет нам получить доступ к новым видам микроорганизмов и затем культивировать их. И мы надеемся, что на этом пути будут созданы новые антибиотики", — говорит Чичков.

Миронов также заинтриговал новым проектом под названием "тканевый пистолет" (tissue gun). "Мы решили создать что-то, чего никогда не было. Чем известна Россия? Тем, что мы производим автомат Калашникова. А мы хотим создать то, что делает абсолютно противоположное — tissue gun. Но как он работает и что там внутри, мы пока не расскажем", — заинтриговал слушателей учёный.

Ещё один интересный проект связан с проблемой облысения. По словам Чичкова, для того чтобы вырастить волосы в коже, необходимы клетки, который "создают" корень волоса. Для этого необходимо использовать "мешочки", в которых можно будет выращивать волосяные луковицы (фолликулы). "Такие элементы были созданы командой Миронова. Их назвали капиллинсеры (capillinser)", — рассказал Чичков.

По словам Миронова, название "капиллинсер" образовано от слов "волос" (capillo на латыни) и "вставка" (insertion).

Одна из возможных технологий борьбы с облысением будет таковой: "Берётся кожа, делается дырки лазером, туда вставляется капиллинсеры с клетками дермоса и эпидермиса, волос начинает расти, а капиллинсеры деградирует. Через какое-то время на Земле вообще не будет людей, которые не имеют волос", — рассказывает о новом проекте российский учёный.

Конечно, когда лазерная печать живыми клетками перестала быть научной фантазией и стала вполне реальной, возник вопрос: "Можно ли напечатать человека и что для этого потребуется?". "Человек весом в 100 килограммов состоит из десяти в четырнадцатой степени клеток. И сегодняшние технологии позволят напечатать массив человека за два часа сорок семь минут. Конечно, это не будет человек в прямом смысле слова, это будет просто клеточный конгломерат. Но, тем не менее, это вполне реально", — заключил Чичков.

Сегодня