Печать органов и тканей. В России назревает прорыв биопринтинга

В России состоялась первая в мире операция с биопечатью непосредственно на пациенте. Она была проведена в Главном военном клиническом госпитале им. академика Н. Н. Бурденко в Москве. Врачи совместно со специалистами из Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС использовали биопринтер, состоящий из роборуки, системы биопечати и компьютерного зрения. Директор института Федор Сенатов в интервью РИА Новости рассказал о подробностях этой операции и перспективах развития отечественного 3D-биопринтинга.

– У пациента была обширная рана в области плеча и лопатки. Рана глубокая, с переменным рельефом, что придавало особую сложность. Хирург забрал из костного мозга собственные клетки пациента. Затем эти клетки смешали со специальным гидрогелем на основе коллагена, который способствует регенерации тканей. Субстанцию («биочернила») поместили в шприц, который находился внутри биопринтера, а сам биопринтер с системой сканирования был размещен на конце роботического манипулятора («роборуки»).

Основной нюанс нашей технологии заключается в том, что система сканирования дефекта мягких тканей позволяет учитывать дыхание пациента и небольшие движения его тела. Сканирование раневой поверхности, построение 3D-модели раны, расчет траектории подачи биополимера «in situ», то есть непосредственно в рану, и саму биопечать робот провел без участия человека.

– Думаю, что в скором времени и забор клеток биопринтер будет способен осуществить вместо хирурга. Все остальное робот уже сейчас сделал самостоятельно. За ним следил инженер-робототехник, который проверил построенную 3D-модель раны, а медики отследили ее адекватность с хирургической точки зрения. Модель всех удовлетворила, и робот «запечатал» раневую поверхность с автоматической подстройкой под пациента.

Инженер НИТУ МИСИС и хирурги ГВКГ им. Н.Н. Бурденко во время операции

Первая в мире операция с роборукой-биопринтером, печатающим на человеке, в ГВКГ им. Н.Н. Бурденко

Операция в ГВКГ им. Н.Н. БурденкоИнженер НИТУ МИСИС и хирурги ГВКГ им. Н.Н. Бурденко во время операцииПервая в мире операция с роборукой-биопринтером, печатающим на человеке, в ГВКГ им. Н.Н. БурденкоОперация в ГВКГ им. Н.Н. Бурденко

– Действительно, это очень важный шаг на пути к полной роботизации, когда в операционной можно будет обойтись без хирурга. Уже сегодня мы видим зачатки использования компьютерного зрения, которое со временем будет сопряжено с искусственным интеллектом для принятия роботом самостоятельных решений. Сейчас мы к этому движемся. Коммерческого названия у нашего робота пока нет, но между собой в шутку называем его «Рука».

– В мире существует несколько разных типов биопринтеров. Классическая 3D-печать – это когда есть некая недвижимая подложка, на которой отдельно печатают органы и ткани, а затем через определенное время пересаживают их пациенту. Во многих странах это направление активно развивается, кто-то быстрее остальных доходит до клинических испытаний. Например, американцы два года назад напечатали ухо и имплантировали его живому человеку.

Федор Сенатов, лаборатория Университета МИСИС

В биопринтер заправлены биочернила и клетки костного мозга пациентаФедор Сенатов, лаборатория Университета МИСИСВ биопринтер заправлены биочернила и клетки костного мозга пациента

Мы тоже в прошлом году совместно с Национальным медицинским исследовательским центром оториноларингологии ФМБА России напечатали имплантат уха, но имплантировали его не человеку, а минипигу (карликовая домашняя свинья) в качестве доклинических испытаний.

Что касается роботической печати сразу на пациенте, то здесь Россия однозначно заняла лидерские позиции. Мы первыми в госпитальных условиях провели биопечать «in situ». Принципиальное отличие от классического 3D-биопринтинга заключается в том, что использовались аутологичные клетки самого пациента. Их не надо предварительно модифицировать. Печать происходит сразу во время операции, клетки не изменяются, поскольку технология не требует дополнительного биореактора.

Федор Сенатов, лаборатория НИТУ МИСИС

Если органы или ткани печатаются на классическом биопринтере, то напечатанную конструкцию необходимо поместить в биореактор для «дозревания». Мы же исходим из логики, что лучшим биореактором все-таки является сам человек. По сути, мы пропускаем целую технологическую ступень и сразу печатаем эквивалент ткани в организм человека.

– Вся мировая биопечать началась в 2003 году с первой в истории публикации о трехмерной биопечати. Автором статьи был наш соотечественник Владимир Миронов, который является научным руководителем лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и профессором НИТУ МИСИС. Под его руководством компания, ставшая пионером отечественного биопринтинга, в 2014 году представила первый российский биопринтер – Фабион. Он до сих пор входит в топ-5 биопринтеров мира.

Уже в 2015 году на нем напечатали первый в мире орган – щитовидную железу, которая в полной мере функционировала и продуцировала гормон. Искусственную щитовидку подсадили лабораторной мышке.

Затем стали развиваться разные ответвления биопечати, например, космическая магнитная биопечать. Космических магнитных биопринтеров в мире всего четыре – один на МКС, один в музее космонавтики на ВДНХ и два в МИСИС.

А вот использование роботов для биопечати уже вылилось в отдельное направление биопринтинга. С позапрошлого года мы работаем вместе с 3D Bioprinting Solutions, чтобы усилить компетенции друг друга. Университет входит в две федеральные программы – «Приоритет-2030» и «Передовые инженерные школы».

В рамках первой программы мы занимаемся технологическими подходами биопринтинга (как печатать, чем печатать, как сделать так, чтобы все это приживалось и пр.), а в рамках второй – развиваем все, что связано с разработкой «железа» и обучением будущих биомедицинских инженеров. Нужно не только разрабатывать технологии завтрашнего и послезавтрашнего дня, но и сразу готовить кадры, которые «подхватят» отрасль.

– Выражу общее мнение коллег, что в первую очередь будут развиваться как раз роботические технологии «in situ», потому что это ближе к пациенту в прямом смысле слова.

Если взять эволюцию печати, то все начинается с залечивания и печати плоских органов (кожа, хрящ и пр.). Сейчас эти технологии позволяют залечивать плоские дефекты, но скоро мы перейдем к печати трубчатых органов (кровеносные сосуды, трахея и пр). Ну, и самое сложное – печать функциональных органов (почки, печень и пр).

Специалисты оценивают отсканированное биопринтером место повреждения

– Нет, это уже точно не фантастика, а реальность; но реальность «на горизонте 30 лет». Пока мы находимся на этапе печати плоских органов. В ближайшие 10 лет перейдем ко второму этапу – печати трубчатых органов с последующей пересадкой человеку. В идеале мы хотим до 2027 года получить первый хороший кровеносный сосуд.

Кто успешно напечатает первый кровеносный сосуд, тот и возглавит третий этап движения – печать функциональных органов. При отсутствии кровеносных сосудов клетки погибают внутри крупных органов.

— Да, в МИСИС в рамках Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии», партнером которой является Госкорпорация «Росатом», мы сейчас как раз разрабатываем несколько технологий магнитной биопечати, при которой с помощью магнитного или акустического полей создаются небольшие кусочки кровеносных сосудов. В России – Москве, Санкт-Петербурге, Самаре, Томске – начинают формироваться целые кластеры биопринтинга.

– Пока ситуация двоякая: многие врачи очень консервативны в этом смысле, но есть и много энтузиастов. Показательно, что сейчас крупные российские университеты, в том числе медицинские и технические, с разных сторон начинают готовить кадры под эту отрасль: кто-то обучает медиков, чтобы они умели применять подходы биоинженерии, а кто-то, как например наш университет, готовит инженеров со знанием медицины. Это движение с двух сторон, ведь в какой-то момент инженерия и медицина обязательно сольются воедино.