Российские космонавты в апреле прошлого года с помощью 3D-биопринтера "Орган.Авт" напечатали на орбите компоненты костной ткани. Сейчас в России начался первый в мире эксперимент по пересадке крысам полученной в космосе ткани. Его проводит компания 3D Biopriting Solutions чтобы выяснить, какие искусственные материалы лучше подходят для лечения костных дефектов. Об особенностях эксперимента, планах компании по дальнейшим работам на Международной космической станции и перспективах использования биопечати в медицине и пищевой промышленности рассказал в интервью корреспонденту РИА Новости Денису Кайырану управляющий партнер 3D Biopriting Solutions Юсеф Хесуани.
– Как проходил отбор образцов, полученных в космосе? Какие были допущены к эксперименту в лаборатории?
– Мы проводили в космосе перекристаллизацию трикальцийфосфатов в октакальцийфосфаты. После получения образцов в апреле 2021 года мы должны были провести ряд исследований в Институте металлургии и материаловедения имени Байкова РАН, чтобы доказать, что это именно октакальцийфосфатные материалы. Эксперименты на животных должны были начаться сразу, но в наши планы вмешалась пандемия. В экспериментах задействованы больше 50 животных. Чтобы провести столько операций и обеспечить послеоперационный уход, нужно много людей. Кроме того, наблюдение нужно вести непрерывно.
– Чем вы занимались этот год?
– Мы не теряли время зря и попытались "приземлить" эту технологию, получить октакальцийфосфаты в специальных центрифугах. Нам кажется, что это получилось. Я говорю "кажется", потому что по своей структуре эти материалы схожи с теми, которые мы получили в космосе, а различия с точки зрения функциональности и восстановления костной ткани будут понятны после проведения исследований на животных.
Также в эксперименте будут образцы, полученные и другими методами на Земле. Одна из важнейших целей эксперимента – сравнить космические и земные материалы, чтобы понимать, насколько мы можем их применять в регенеративной медицине. Если материалы, полученные в космосе, будут успешны для трансплантологии, это хорошо, но с другой стороны, печать в космосе – это дорого.
Поэтому мы смотрим, насколько отличаются и отличаются ли вообще земные материалы, полученные нашей новой методикой. Если они окажутся лучше материалов, полученных классическими методами на Земле, то это тоже уже большое достижение.
– Из тех образцов, которые были получены в космосе, все участвуют в эксперименте?
– Часть отправлена для экспериментов с животными, а часть на анализ. Изначально закладывалась развилка на эти две категории.
– Эксперимент будет идти несколько месяцев. Что вы планируете сделать за это время?
– Сначала каждому из животных делается один из наиболее сложно заживающих дефектов костной ткани – дефект костей черепа. Хирурги делают отверстие диаметром около полутора миллиметров. Заместить дефект трубчатой костной ткани легче, но мы не ищем простого пути. Дальше мы либо добавляем крысам октакальцийфосфаты, полученные в космосе или на Земле, или трикальцийфосфаты. Есть еще группа животных, которым не засыпаем никакие материалы. Будем смотреть динамику через месяц, три месяца и через шесть. На каждом временном сроке проведем гистологические исследования для определения скорости заживления костной ткани.
– За шесть месяцев череп должен полностью зажить?
– Да, нам важны не только краткосрочные эффекты, но и долгосрочные. Например, для ряда костных тканей характерно такое явление, как образование костной мозоли. Нам надо посмотреть не только, заместилась ли костная ткань, но и не произошло ли ее разрастание больше, чем нужно.
– На каком этапе сейчас эксперимент?
– Первая группа уже прооперирована, им трансплантировали разные материалы, животные уже находятся в виварии.
– Какие у вас дальнейшие планы по экспериментам на МКС?
– Нам было бы интересно отправить в космос трансмембранные белки, то есть находящиеся в мембранах клеток. Изменения их структуры из-за генетических мутаций меняют функции клеток, могут осложнять обмен веществ или проведение сигналов. Сейчас в разработке целая группа белков, мы проводим предполетные испытания и выберем одного или двух кандидатов.
В более отдаленной перспективе нам интересна работа с другими синтетическими материалами, в том числе, керамическими, которые также могут быть использованы для замещения костных дефектов.
– Можете назвать кандидатов на полет?
– Могу пока сказать только про одного из кандидатов, который не имеет отношения к трансмембранным белкам. Это RBD-белок, известный тем, что он является частью шипа коронавируса, которым он цепляется к клетке и проникает в нее. Его удалось синтезировать в условиях лаборатории нашим новосибирским коллегам. Мы сейчас ведем испытания по попыткам его кристаллизации в лабораторных условиях на Земле.
– Он характерен только для коронавируса?
– Он характерен для семейства коронавирусов. Кристаллизацию комплекса "рецептор клетки – RBD-белок" получили американские коллеги, но пока работ по получению третичной структуры самого RBD-белка и понимания его конформации мы не встречали. Может, космос нам поможет.
– Что даст этот эксперимент?
– Зная структуру RBD-белка, мы сможем подобрать препараты, которые блокировали бы его. Наша задача – заблокировать рецепторы коронавируса, чтобы он мог находиться в организме, но не мог попадать в клетки. Но это уже задача для биоинформатиков. Таким образом возможно создать препарат, который будет связываться с коронавирусом и блокировать его попадание в клетки через соответствующий клеточный рецептор.
– Когда может состояться следующий эксперимент на МКС?
– Мы ориентируемся на первое полугодие 2022 года.
– Как себя показали эксперименты, которые вы проводили в космосе ранее?
– Они себя показали отлично. Например, в ходе экспериментов с использованием мышечных клеток, в ряде материалов, которые мы получили на Земле, был обнаружен феномен так называемых "хвостатых сфероидов" – веретенообразные структуры, похожие на мышечные волокна, которые на Земле получить достаточно сложно.
– Это был неожиданный результат?
– Факты создания таких веретенообразных структур известны. Например, спонтанное образование трубчатых структур из клеток сосудов из-за так называемой клеточной памяти. Было интересно, будут ли они организовываться при печати в космосе. Это не совсем неожиданность, это была одна из гипотез, одна из вероятностей.
С мышечными клетками мы продолжили работу уже на Земле, но с использованием классических аддитивных технологий биопринтинга. Мы накопили достаточно знаний по поведению мышечных клеток в разных условиях, в том числе и в условиях микрогравитации. Один из проектов, который вырос из нашего космического проекта, это создание наггетсов, которые содержат куриные клетки.
– Эксперименты по созданию наггетсов уже проводились?
– Мы проводим подобные эксперименты в еженедельном формате. Подложку из растительных волокон на основе сои мы заселяем клетками курицы. Они добываются без нанесения существенного вреда животным.
– С какого участка берутся клетки?
– Мы берем кусочек кожи и мышечной ткани размером порядка двух сантиметров между бедром и крылом. Если речь идет о крупном рогатом скоте, то мы берем чаще всего из десны.
– То есть речь не только о куриных наггетсах, но еще и о говяжьих стейках?
– На МКС с куриными клетками мы не работали, но работали с клетками крупного рогатого скота и кролика. А на Земле – крупный рогатый скот и курица.
– Когда такая технология позволить покупать напечатанные стейки и наггетсы по цене обычных?
– В Сингапуре, например, уже можно купить такие, но это не привычные нам наггетсы, которые продаются по 9-12 штук в порции. Один наггетс массой около 50 граммов с гарниром стоит примерно 17 долларов.
– А у нас когда появятся в продаже такие наггетсы?
– Сингапур на уровне правительства провел колоссальную работу для возможности продавать культивированное мясо, она заняла несколько лет.
Технологические процессы в ряде стран могут занять меньше времени, чем снятие регуляторных ограничений. Возможно, это приведет к тому, что компании просто будут переезжать в более лояльные страны. Та же компания, которая продает наггетсы в Сингапуре, изначально была американской, но пришла на сингапурский рынок по этим простым причинам.
– Человечину можно таким же образом напечатать?
– Я знаю, что еще в 80-х–90-х годах были идеи создать гипоаллергенное питание из собственных клеток человека. Но они не получили никакой поддержки. Это точно не наша история. Мы сфокусированы на решении других проблем. Планете наносится серьезный вред от содержания большого поголовья скота в мире. Связано это с жизнедеятельностью животных, потреблением воды и растений. И плюс вопрос этического обращения с животными.
– Следующее поколение биопринтеров вы разрабатываете? Или какое-то дополнение к тому, который стоит на МКС?
– Пока у нас есть только идеи по апгрейду кювет (ячеек, где содержится биологический материал, – ред.). Можно использовать не только магнитные, но магнитные и акустические волны за счет специальных акустических преобразователей, которые будут составной частью кювет. Но потенциал магнита себя еще не исчерпал, а эксперименты в космосе сложные, дорогие, не стоит распаляться в разных направлениях.
– Что дало бы использование акустических волн?
– Магнитно-акустическая система позволила бы нам делать геометрически более сложные объекты, например, полые и трубчатые структуры. Принцип использования этой технологии мы показали на супермагнитах в городе Неймеген. Там удалось получить трубчатые конструкции длиной до нескольких сантиметров. В космосе можно было бы получать значительно больше в виду отсутствия силы тяжести и конвекции.
Мы работаем над разными технологиями, потому что ткани и органы имеют серьезные отличия. Одна технология для всех типов – это утопия.
– Роскосмос планирует создание отдельного отсека для космической станции, целиком посвященного 3D-печати. Вы в этой работе принимаете участие?
– Речь идет не только о биопринтинге, речь идет вообще об аддитивных технологиях, о печати разными материалами, не только биологическими. Поэтому да, наверное, такой план реализуем. Наша мечта – это работа с животными на МКС. Но для этого потребуется специальная инфраструктура, потому что это были бы эксперименты принципиально нового уровня.
Я надеюсь, что будут появляться не только принтеры, но и боксы для работы и содержания животных. Тогда мы сможем выходить на новые эксперименты, которые дадут нам колоссальную массу новых знаний, размышлений и информации для анализа.
– Как может выглядеть такой эксперимент в животным на МКС?
– Один из таких достаточно простых экспериментов – это использование роботических принтеров, которые бы печатали по заданной цифровой модели. То есть сначала нужно получить дефект ткани животного, а затем поместить его в специальный бокс, где роботическая система сама замещала бы этот дефект, и в реальном времени анализировать, как происходит регенерация тканей в условиях микрогравитации.
– Сам дефект наносили бы космонавты?
– Да, хоть им и пришлось бы проходить обучение у хирургов, чтобы иметь соответствующие навыки. А так среди космонавтов есть и врачи, и биологи. МКС – это лаборатория, где работают специалисты разных профессий, ведутся разные эксперименты, начиная от выращивания растений и наблюдения за космическим пространством, заканчивая вот такими сложными работами. Почему нет. К тому же это достаточно несложная операция, просто нужно набить руку.
– Изначально вы хотели использовать магнитное поле не для наращивания тканей, а наоборот, чтобы убивать клетки, например, для расширения сосудов. Актуальная ли до сих пор эта идея?
– Это эволюция идей, нормальный процесс, который происходит в каждой лаборатории. Все-таки, здесь идет речь немного про разные технологии, хоть и с использованием магнитных полей и там, и там.
Работы подобного рода у нас в лаборатории ведутся, мы этот проект называем "СакроСферами". Мы используем тканевые, так называемые, "жертвенные" сфероиды. Технология "жертвенных" гелей, из которых можно получать конструкты с порами или каналами, используется в течение последних десяти лет, а вот работ по клеткам практически не было.
В "СакроСферах" мы клетки насыщаем магнитными частицами, которые под воздействием определенного магнитного поля начинают нагреваться и клетки разрушать изнутри. Здесь тоже используется магнитное поле, но сама технология принципиально другая. При магнитной самосборке используются суперпарамагнетики, которые находятся на поверхности клеток, а не частицы внутри клеток.
– Такие эксперименты можно проводить в космосе?
– Можно, но уже не на нашем принтере. На нашей аппаратуре можно проводить только эксперименты по сборке.
– Насколько сейчас эта технология далека до применения в медицине?
– Ближе всего печать ткани кожи. Мы называем эту технологию in situ – биопринтингом, печатью непосредственно в раневой дефект. Мы прошли испытания на мелких животных еще до пандемии. В самом начале пандемии мы чудом успели провести испытания на крупных животных.
– На крупных, это на каких?
– Это мини-пиги, но там был довольно крупный дефект – семь сантиметров в диаметре. Сейчас обсуждаем с некоторыми коллегами создание такого консорциума, который бы мог проводить подобные технологии уже в клиническом поле с необходимой регистрацией всех составных частей технологии: самого принтера, гелей к этому принтеру, программного обеспечения, биомедицинского клеточного продукта. Это тяжело потянуть в рамках одной компании, поэтому с коллегами из разных институтов, в том числе коммерческих компаний, рассматриваем возможность создания консорциума по введению этой технологии в клинику.
– Для лечения каких заболеваний или травм это может применяться?
– Чаще всего, это дефекты, связанные с язвенными поражениями, хронические язвы, сопровождающиеся ишемическими болезнями, то есть нарушениями трофики, нарушениями сосудистого русла. Самые известные примеры, это диабетическая стопа и поражения сосудов при диабете.
Есть ряд генетических заболеваний, например, печально известная пузырчатка, или буллезный эпидермолиз. Нарушается экспрессия генов, связанных с синтезом коллагена, возникают постоянные кожные дефекты. К счастью, наверное, в России не так много пациентов – зарегистрировано порядка трех тысяч. Но, понимаете, когда мы говорим о пациентах, особенно о детях, обсуждать цифры рынка, мне кажется, не этично. Если технология может помочь даже десятку людей, то это уже хорошо, это уже надо делать.
– Как долго будет длиться такая операция?
– Процесс занимает порядка 4-5 недель в зависимости от возраста пациента, от его регенеративного потенциала.
– Сколько может занять внедрение подобных операций в клинику?
– Я не очень оптимистичен в этом плане. Вряд ли это займет меньше трех лет, если мы не столкнемся с проблемами при клинических испытаниях. Все-таки, испытания на животных и на людях отличаются.
– Точно так же, наверное, сложно говорить о сроках появления первого внутреннего органа, который будет напечатан для пересадки?
– Я приведу такой пример. В 2014 году Международное общество биофабрикации, членом которого мы являемся, дало прогноз, что первый тип ткани, который будет напечатан и использован в клинике, это ткань кожи и хрящевая ткань, и что это произойдет в 15-летнем промежутке. Тем не менее, в прошлом году арабо-американская группа трансплантировала человеку при долго не заживающей язве напечатанную кожу. То есть с органом мы угадали. Но этот переход произошел на 10 лет раньше прогноза.
Биопринтинг, как технология, не существует сам по себе. Он чаще всего находится в зависимости от клеточных технологий. Так что это вопрос развития регенеративной медицины, в том числе клеточной биологии и получения необходимых клеток в достаточном объеме.
Кроме того, в большинстве случаев бывает поражен не весь орган, а его часть, но его функции при этом утрачены. В таком случае нужна печать так называемых тканеинженерных заплаток, а не целого органа.
– Недавно сообщалось, что австралийские ученые напечатали модель эмбриона из человеческой кожи. Что вы думаете о таких экспериментах, и можно ли будет когда-то в будущем напечатать человека целиком?
– Теоретически возможно все, что угодно, но я не понимаю целей и задач. Нам важно восстановить функции утраченных органов. Для этого выращивать отдельно целого человека смысла никакого нет.
Мы категориями печати человека вообще не думаем, оставляем это для футурологов, сценаристов фантастических фильмов, ну, и для некоторых ученых, которые считают, что это непременно нужно делать.
– Может, речь идет о таком способе клонирования?
– Тогда нужна не печать, а скорее методы генетического редактирования. Методы клонирования, которые уже известны. Печать – это распределение клеток в заданных точках трехмерного пространства, не более того.