Российским ученым из лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс» впервые в мире удалось напечатать на биопринтере настоящий орган – щитовидную железу мыши.
Вообще, сами создатели, называют его не органом, а органной конструкцией.
«Существует определенная классификация структурной организации уровней иерархии живого, - говорит научный руководитель лаборатории, к.м.н. Владимир Миронов. - Это молекула, клетка, ткань, органы, органные системы и организм. Исходя из этой системы, то, что мы напечатали, не имеет места в данной классификации. Поэтому мы решили назвать созданную нами щитовидную железу органным конструктом - он намного ближе к органу, чем к ткани, так как состоит из нескольких типов тканей, имеет васкуляризацию (сосуды) и функцию на уровне организма».
Ученые надеются, что в скором времени смогут напечатать и человеческую щитовидную железу. Вполне возможно, что в будущем эта технология поможет решить острую проблему нехватки донорских органов для пересадки.
Как рассказывает Владимир Миронов, их оппоненты, скептические относящиеся к технологии трехмерной биопечати органов, утверждали, что органы напечатать нельзя, потому что они очень сложные.
И действительно, еще совсем недавно эта идея выглядела настоящей фантастикой.
«Идея биопечати настоящих функциональных органов возникла у меня 12 лет назад. В октябре прошлого года мы заявили, что в марте напечатаем щитовидную железу. И мы это сделали», - говорит Владимир Миронов.
Эта технология может в обозримом будущем использоваться в клинической практике, считает к.м.н., руководитель отдела опухолей головы и шеи и микрохирургии ФМИЦ им. П.А. Герцена Андрей Поляков. «Для клинической практики главное, что этот созданный орган имеет сосуды – артериальные и венозные, которые могут обеспечить кровоснабжение и питание, а также транспорт в организм вырабатываемых гормонов. Сейчас самый важный этап – показать функциональность и безопасность этого метода», - говорит Андрей Поляков.
Почему ученые решили создать именно щитовидную железу?
Выбор был не случаен.
«Нам необходимо было выбрать орган, который относительно просто устроен. Щитовидная железа не имеет сложной системы протоков для выведения продуктов ее деятельности. Гормоны, которые синтезируют фолликулы железы, поступают прямо в сети кровеносных капилляров, которые оплетают каждый фолликул. То есть для создания такого органа нужны фолликулы, оплетенные капиллярами, внутреннее сосудистое русло, которое соединяется с приносящей артерией и выносящей веной», - объясняет Владимир Миронов.
Кроме того, оказывается, что щитовидка - это первый орган, который пересадили человеку.
Как и любая новая технология, метод 3D биопечати органов возник не на пустом месте, а вобрал в себя достижения многих наук и направлений – науки и биоматериалах, генетики, биологии развития, клеточной биологии и информационных технологий, говорят ученые. Им же удалось успешно соединить эти методы и показать, что это, действительно, работает.
Печать живыми клетками
Вначале с помощью специальной программы была создана трехмерная компьютерная модель мышиной щитовидной железы, которая и была заложена в биопринтер. Роль «биобумаги» - выполнял гидрогель, на который наносились «биочернила» - конгломерат из живых клеток, которые носят название тканевых сфероидов. Такие сфероиды могут состоять из самых разных клеток.
Как объясняет Владимир Миронов, для печати щитовидной железы они использовали сфероиды двух типов. Одни сфероиды были заполнены фолликулами, в которых происходит синтез гормона тироксина. А другой тип использовался для создания сети кровеносных сосудов.
Для создания самих фолликулов использовались эмбриональные экспланты мыши. «Можно сказать, что эти экспланты представляют одну из стадий развития эмбриональных стволовых клеток, когда они превращаются в фолликулы щитовидной железы. На следующей стадии развития они уже способны синтезировать гормон тироксин. Что особенно важно, на этой стадии эти фолликулы уже васкуляризированы – то есть окутаны сетью кровеносных капилляров, обеспечивающих выделение гормонов щитовидной железы непосредственно в кровь», - говорит Владимир Миронов.
Самое трудное – создание сети сосудов
Самое трудное при создании любого органа - это обеспечить его кровеносными сосудами - васкуляризировать. Эта задача особенно важна, подчеркивают ученые. Поскольку, конструкцию из тканей можно назвать органом, если там есть не только рабочая часть, состоящая из функциональных клеток, но и сеть сосудов. «Например, уже созданные на биопринтерах тканевые конструкции кожи, хряща, сосудов и печени нельзя в строгом смысле считать напечатанными органами, говорит Владимир Миронов. - Поскольку функциональность таких конструкций не обеспечена на уровне всего организма, у них нет сети кровеносных сосудов».
Обеспечить орган сетью кровеносных сосудов - задача не только важная, но и одна из самых сложных в регенеративной медицине.
Вообще, в васкуляризации скрывается основное отличие метода биопечати органов от других разделов регенеративной медицины, когда органы выращиваются из эмбриональных или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток – клеток, которые обладают неограниченными возможностями превращаться практически в любые клетки и ткани.
Из стволовых клеток биоинженеры уже научились получать ткани или фрагменты отдельных органов - так называемые тканевые органо-подобные структуры или органоиды. Но, как подчеркивает Владимир Миронов, у всех выращенных таким способом органоидов отсутствует система сосудов до имплантации. А она необходима для клинической практики (если говорить о том, что эти органы в будущем можно будет пересаживать пациентам).
«Нас часто спрашивают, а как вам удалось добиться васкуляризации? В настоящее время в тканевой инженерии разработаны два подхода для создания сосудоподобных каналов. Это метод жертвенного гидрогеля и метод, основанный на принципе клеток эндотелия самостоятельно собираться в капиллярные сети и даже сосуды большого диаметра. Возможность образования внутри органной конструкции сосудистого русла таким способом подтверждена экспериментально», - говорит Владимир Миронов.
Как работает биопринтер
Как объясняет Владимир Миронов, биопринтер – это роботическое устройство, которое позволяет точно распределять биоматериал - живые клетки – сфероиды в трехмерном пространстве, послойно, согласно цифровой модели. А если говорить проще - это шприц, который двигается в трех направлениях.
Сейчас разработкой биопринтеров занимаются в 16 компаниях 12 стран мира. Но, по словам, Владимира Миронова, биопринтер, который они создали в своей лаборатории, уникален. «Шприцов у российского биопринтера пять. У лидирующей на рынке по производству биопринтеров американской компании Organova принтер оснащен двумя форсунками. Наш принтер - мультифунциональный. Мы можем печатать три разных типа сфероидов. Еще одно доказательство того, что наш принтер пионерная разработка – недавно мы подали заявку на патент», - добавляет Миронов.
Как напечатать щитовидную железу
Биопечать начинается с того, что принтер распыляет гидрогель, а потом в него, «как лук на грядке» высаживаются сфероиды – сначала сосудистые, а потом функциональные (фолликулы с сетью кровеносных сосудов). Для печати мышиной щитовидной железы использовалось около трех тысяч сфероидов. Печать происходит по заранее созданной цифровой модели, программа задает движение форсунок. От компьютера сигналы передаются на принтер через блок управления.
«После печати мы проверяем интеграцию всей системы при помощи чернил. Получается, что мы напечатали щитовидную железу, и она васкуляризирована», - говорит Владимир Миронов.
Теперь самая важная задача - доказать функциональность такого органного конструкта – т.е. показать, что он может выполнять свою основную функцию – синтезировать гормон тироксин, говорят ученые.
И теперь впереди пересадка органа
«Следующий этап нашей работы - напечатанный на биопринтере конструкт мы пересадим мышке, у которой щитовидная железа не работает. Эксперимент будет выглядеть следующим образом: мы подсаживаем конструкт под капсулу почки и через четыре недели меряем в крови уровень гормона тироксина. Если уровень тироксина возвращается к нормальному уровню, или он может быть и чуть ниже нормы, тогда конструкт работает, он функционален», - говорит заведующая Лабораторией биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс» Елена Буланова.
....... и печать человеческой щитовидки
Ученые строят и совсем амбициозные планы. Как говорит Владимир Миронов, в ближайшем будущем они планируют напечатать человеческую щитовидную железу.
«В прошлом году Сабина Костаглиола из Свободного университета Брюсселя получила из эмбриональных стволовых клеток мыши фолликулы щитовидной железы. Затем эти фолликулы имплантировали в организм животного, где они заработали и стали выделять гормон тироксин. Недавно Терри Дэвис сделал то же самое из человеческих эмбриональных стволовых клеток. Теперь мы ждем результатов исследований, когда ткань щитовидной железы будет выращена из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека», - говорит Владимир Миронов.
Тогда, надеются ученые, они смогут приступить к разработке методов печати щитовидной железы человека.
