Цивилизация
— Какими исследованиями вы занимаетесь в НИТУ «МИСиС»?
— У нас есть несколько направлений. Мы сейчас занимаемся разработками в области биопринтинга, тканевой инженерии, а также различных имплантатов, как для твердых, так и для мягких тканей.
Например, мы сделали имплантат ушной раковины для людей с травмами уха. Он создан методом биопринтинга, то есть 3D-печати с клеточным компонентом. Мы печатаем каркас, который нужен для внешнего сходства. При этом он повторяет биомеханику эластического хряща, — он такой же гибкий, также способен помогать тканям регенерировать и в идеале потом возмещается новыми тканями.
Федор Сенатов
Из личного архиваСледующее направление — это разработка новых методов биопечати. Мы работаем в партнерстве с российской компанией 3D Bioprinting Solutions. Просто 3D-печать — это когда слой за слоем вы наносите материал, и так можно печатать что угодно, хоть дом, хоть костный имплантат. При биопечати должен присутствовать клеточный компонент. Мы хотим развивать еще два новых направления.
Первое — это биопечать in situ (то есть непосредственно на теле пациента). У человека есть повреждение кожи, ожог, ткань надо восстановить. Для этого есть роботическая рука, которая может запечатывать такой дефект прямо на пациенте. И тут нюанс в том, что просто обычный принтер печатает на гладкой, ровной поверхности, а вот биопринтер in situ обязан печатать на кривой поверхности, например, животе пациента.
Робот должен иметь обратную связь, например, человек дернулся или глубоко вздохнул, то принтер не должен случайно его ткнуть, повредить как-то.
По времени на лабораторных животных такой метод печати занимал 20-30 минут. Пока его можно применить только для кожи, потому что достаточно, условно, пять слоев нанести и у вас уже тоненькая кожа образовалась. С другими органами будет сложнее.
Второе направление — это использования разных физических полей для печати.
Что, если мы можем создавать орган со всех сторон сразу, чтобы, например, клетки слетались, как в фантастических фильмах, сразу в одну точку, образуя орган? Это можно делать с помощью магнитной печати, когда клетки левитируют в воздухе и потом начинают собираться в одном месте в форме будущего органа.
Над этим мы тоже работаем.
— Вы упомянули клеточный компонент. Получается, эти имплантаты можно назвать «живыми»?
— Все, где есть клеточный компонент, можно назвать живым. В таких изделиях обязательно что-то живет, либо клетки, либо тканевые сфероиды (это такие искусственно созданные шарики из клеток). Наши имплантаты – это, очень грубо говоря, сочетание живого и неживого.
У нас же есть еще несколько направлений, например, костные имплантаты. Отдельное сложное направление, которое мы начали развивать в рамках государственной программы «Приоритет 2030», это направление создания нейропротезов для людей со спинальными травмами и повреждением периферических нервов.
— Что представляют собой ваши нейропротезы, там есть искусственные нейроны?
— Ну, представьте нерв как нечто такое вытянутое. И при травме это нечто порвалось, вот нам нужно сделать такой цилиндрик, техническим языком, муфту, которая бы нерв соединила. Этот имплантат должен быть электропроводным и внутри себя содержать клетки со специальными белковыми молекулами.
Для спинальной хирургии дела обстоят сложнее. Там надо создать такой имплантат, который будет позволять регенерировать нервные ткани. Он тоже должен быть электропроводным. Его задача — помогать нервной ткани направленно расти, чтобы она не хаотично как-то двигалась, а в конкретном направлении для заращивания какого-либо дефекта, возникающего при спинальной травме.
Эти имплантаты представляют собой мягкие пластины из полимера, который похож на силикон со специально созданными бороздками, вдоль которых можно стимулировать рост нервной ткани.
Все это пока только на начальной стадии разработки, но в идеале мы хотим, чтобы наши имплантаты могли полностью или хотя бы частично восстанавливать двигательную активность у людей с травмами спины.
— Вы упомянули про сложности печати органов, с какими проблемами вы сталкиваетесь?
— Печать сложных органов — это долгий процесс, и пока технологически в мире никого нет, кто мог бы действительно делать функциональные, большие органы, которые, например, что-то продуцируют.
Чтобы орган работал, нужно, чтобы в нем разные процессы были задействованы правильным образом. В ходе 3D-печати, даже обычной, возможны дефекты, особенно если объект большой. Чем больше дефектов, тем больше вероятность, что орган будет работать неправильно.
Вторая проблема связана с нюансами биопечати. Вот вы когда наносите клетки слой за слоем, этот процесс все равно не очень быстрый. Если вы печатаете большой орган, то процесс займет несколько часов (или десятков часов). В этом случае нижние слои клеток в отсутствие специальных условий инкубации могут начать погибать, потому что нет притока питательных веществ. Нет кровеносных сосудов, они еще не созданы. И поэтому есть вероятность повреждения нижних напечатанных слоев.
Сейчас, например, можно печатать в принципе кусочек сердца, мышцу. Нюанс именно в органах, которые функциональные и крупные. Их пока нельзя напечатать.
— За рубежом уже есть прецеденты использования напечатанных органов у людей. А в России когда этого ждать?
— Я бы сказал так, первые органы, которые будут устанавливаться человеку, это имплантаты костей и печать хряща и кожи. Их мы начнем устанавливать людям до 2030 года.
Сейчас мы можем активно наши разработки применять в ветеринарии. У нас уже достаточно много случаев. Например, четыре года назад мы создали клеточно-инженерную лапу для кота Лапуни. Последние два года мы создаем дыхательные стенты для собак с коллапсом гортани.
— Вы рассказываете про напечатанные ткани и создается впечатление, что они вообще не отличаются от живых. Это так?
— Когда мы говорим про создание эквивалентов органов, мы очень часто пользуемся понятием биомиметики. То есть должно быть соблюдено полное сходство по структуре, архитектуре, внешней геометрии и биомеханике. При этом должна соблюдаться высокая биосовместимость, биоактивность и функциональность. Идеально повторить все сразу достаточно сложно, поэтому все зависит от места имплантирования.
Если это, например, костные протезы, тут в первую очередь важна архитектура и биомеханика. Когда мы говорим про мягкие ткани, тут еще больше нюансов, которые надо учитывать. В том числе, максимальное обеспечение васкуляризации и прорастания кровеносных сосудов. Часто имплантаты мягких тканей — это имплантаты биорезорбируемые, то есть постепенно он должен рассасываться и замещаться тканью организма.
— Вы еще занимаетесь интеллектуальными материалами. Что это такое?
— Это материалы, которые могут контролируемо изменять какую-либо из своих характеристик под действием внешнего фактора. Например, самое распространенное — это материалы с памятью формы. Дыхательные стенты для собак в сжатом виде поместили в гортань, а от тепла тела собаки имплантат раскрылся, приняв другую, нужную форму.
Есть материалы, которые реагируют на свет, на изменения электромагнитного излучения, на изменения кислотности, влажности. Мы в основном занимаемся именно изменением формы. Это нужно, чтобы подойти к 4D-печати. Такой биопринтинг подразумевает изменение формы уже напечатанного изделия.
Это нужно для малоинвазивной установки имплантатов. Но это пока все лабораторное и далеко от уровня внедрения.
— А вообще как создается материал для печати?
— Есть задача — нужно возместить ткань какого-то органа. Мы подбираем в начале материал. Это может быть керамика для костей, например, или какой-нибудь полимер.
Далее мы смотрим, нужен ли нам клеточный компонент. Если нужен, можно ли напечатать вначале каркас, а потом заселить его клетками. Либо, если это мягкий орган, то надо печатать сразу клетками или тканевыми сфероидами. Например, мы можем взять клетки, распределить их в специальном геле, а потом печатать гелем с клетками. Чаще всего используются стволовые клетки, выделенные из костного мозга пациента.
— Как область биопринтинга развита в России?
— Очень мало сейчас есть коллективов, которые серьезно этим занимаются, область достаточно молодая. В ней точно будет прорыв. Просто пока не так много в России и биопринтеров. Но к нам активно идет молодежь, ученые заинтересованы в развитии этого направления, поэтому я уверен, что у биопринтинга очень хорошее будущее.
— Что вы имеете в виду под «прорывом»?
— Мы будем постепенно переходить от печати пробников органов к клинике, то есть мы будем применять их уже в медицине. Как я сказал, мы считаем, что первое, что удастся сделать для человека — это печать хряща (например, ушной раковины) и кожи. Для себя мы поставили горизонт где-то 2025-2027 год.
— Какие вы лично перед собой ставите задачи в разрезе вашей научной деятельности?
— Я очень не люблю фантастику, говорить о дальних горизонтах. Одна из моих главных целей — дойти до клиники. Еще одна — создать какой-то большой функциональный орган. Все-таки наш центр называется «научно-образовательным», так что еще стоит еще одна важная задача — подготовить таких студентов, которые смогут заниматься биопечатью будущего. Не текущими технологиями, которые на начальном этапе развития, а теми, которые будут сразу готовы печатать такие органы, как поджелудочная железа или сердце.