В России провели уникальный эксперимент по биопечати кожных имплантатов

В будущем это поможет больным избавиться не только от не заживающих ран на коже, но и получить вместо удаленных органов живые из собственных клеток

13.12.2019 в 18:27, просмотров: 4913

Все боятся неизлечимых болезней, незаживающих ран, внезапной смерти. Но наука сегодня не стоит на месте, многое меняется в терапии даже самых «страшных» болезней. Российские ученые совместно с сотрудниками лаборатории биотехнологических исследований озвучили первые результаты уникального эксперимента по биопечати имплантатов для замещения кожных дефектов у крыс прямо во время операции. А биопечать осуществлялась непосредственно в рану при помощи робота-манипулятора.

В России провели уникальный эксперимент по биопечати кожных имплантатов

«Лечение ран, их заживление — это многостадийный процесс, — говорили специалисты. — Задач тут ставится несколько: чтобы рана зажила как можно быстрее, чтобы рубец оказался как можно меньше, чтобы исключить инфицирование и т.д. У большинства крыс после трехмерной биопечати имплантатов скорость регенерации была значительно выше, чем при использовании обычных повязок. В ближайшие годы можно будет добиваться регенерации самых сложных дефектов у людей, и не только на коже. В будущем эта технология в регенеративной медицине позволит печатать трехмерные тканеинженерные конструкции непосредственно в месте повреждения во время операционного вмешательства у пациента».

Непонятно, но здорово, как говорится. О чем речь? И как долго людям ждать такого чуда? На эти и другие вопросы специально для читателей «МК» ответила руководитель проекта и зав. лабораторией прогноза эффективности консервативного лечения МНИОИ им. П.А.Герцена, д.б.н., профессор кафедры биологии РНИМУ им. Н.И.Пирогова, заслуженный деятель науки РФ Наталья СЕРГЕЕВА.

СПРАВКА "МК"

Биопечать (биопринтинг) — прорывная технология, ориентированная на будущее медицины. 3D-биопринтинг — это создание объемных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток. Первый патент, относящийся к этой технологии, был подан в США в 2003 году и получен в 2006 году. Первый российский биопринтер создан в 2014 году и до сих пор признается одним из самых многофункциональных в мире по возможности использования для биопечати разными материалами.

Первый шаг сделан

— Речь идет о восстановлении кожных дефектов в будущем у пациентов. Особенно в этом нуждаются онкологические больные, но не только они, — пояснила Наталья Сергеевна. — Онкология остро нуждается в технологиях восстановления органов. Она является одной из тех областей медицины, где используется наиболее агрессивное лечение больных, и функции органов и тканей бывают снижены или утрачены. А регенеративные способности самого организма у таких пациентов не всегда достаточны. И регенеративные технологии, в том числе новая разновидность ЗD-биопринтинга, призваны помочь решить эту проблему. Другая разновидность — ЗD-принтинг (печать без живых элементов) уже нашла свое применение в медицине и в онкологии в частности, создаются персонализированные конструкты для замещения костных дефектов в соответствии с геометрией каждого из них.

Наталья СЕРГЕЕВА

Так вот ЗD-биопринтинг поможет при оперативном вмешательстве. При печати используются живые элементы — клетки и гель на основе коллагена или других полимеров. В результате формируется конструкция, близкая к структуре утраченного органа. Кроме того, в рамках этого проекта специалистами института использована разработанная нами оригинальная технология изготовления из крови лизата тромбоцитов и геля на его основе, обогащенного ростовыми факторами и гормонами для 2D- и 3D-культивирования клеток в не чужеродных условиях. Лизат тромбоцитов — альтернатива эмбриональной телячьей сыворотке, которая традиционно используется для культивирования клеток, но может вызывать аллергические реакции. И готовить его можно как персонализированный продукт из крови каждого больного.

Таким образом, в будущем больным с незаживающими ранами будет подарен уникальный метод восстановления утраченного фрагмента кожи с использованием его же собственных клеток. Эта технология подразумевает сочетание хирургической робототехники с трехмерной биопечатью. А применение специальных роботических рук позволяет печатать не только на горизонтальных поверхностях, но и заполнять тканевые дефекты неправильной формы под нужными углами на теле животного, подстраиваясь под его дыхательные движения.

— А в перспективе это можно будет делать и на теле человека? При каких заболеваниях?

— Этот метод представляется перспективным, так как может решить проблемы кровоснабжения имплантанта. В напечатанную тканеинженерную конструкцию мигрируют собственные клетки пациента, которые участвуют в формировании сосудов, а также прорастают капилляры из окружающей дефект ткани.

Проведенный эксперимент стал первым шагом на пути применения технологии биопечати в условиях операционной и для дальнейшего использования у пациентов. В будущем это позволит печатать трехмерные тканеинженерные конструкции непосредственно в месте дефекта конкретного органа пациента. Это существенно расширит спектр применения биопечати, так как поможет избавиться от этапа дозревания конструкций в специализированных биореакторах и инкубационных системах.

За регенеративной медициной будущее

— А насколько далеко это будущее? Каждый больной с раной или после потери органа, тем более в онкологии, мечтает о более быстром заживлении...

— В этой области делаются только первые шаги. Действительно, сейчас многие, переболев раком, пытаются прибегать к регенеративным технологиям. Но я бы покривила душой, если бы сказала, что все критерии (что можно, а чего нельзя онкобольному) уже выработаны. Они вырабатываются постепенно. И еще: когда во время операции хирург берет в руки нож и делает разрез, то сам разрез стимулирует выброс факторов роста. И если у человека после операции, химио- или лучевой терапии есть длительно не заживающая рана, свищи, это означает, что регенеративные возможности организма пациента ослаблены.

К тому же и сама длительно не заживающая рана, и процессы, которые идут в ней, тоже могут стимулировать рост клеток. Поэтому рану надо закрывать. Вот врачи и балансируют между тем, что можно, а чего нельзя. Конечно, стимулирующие действия при этом применять нельзя. Но коллаген, используемый в новой технологии и разработанный российскими специалистами, и не относится к таким стимуляторам. Собственные клетки также помогают этого избежать. При этом помимо доклинических биомедицинских испытаний на животных мы должны ответить на главный вопрос: можно ли этот способ использовать в онкологии?

— То есть фактор роста клеток и при новой технологии все же присутствует?

— Факторы роста есть везде: в растениях, в теле животных, человека. Вообще люди подвергаются неблагоприятным экологическим и другим стимулирующим воздействиям в течение всей жизни.

— Кому первому пришла в голову эта гениальная мысль — применять биотехнологии для лечения ран, создания целых органов?

— Идея как закономерный этап развития науки пришла в голову многим ученым в мире. Такие технологии активно развиваются уже более 10 лет и с каждым годом становятся все более совершенными. В России в клинической практике уже стали применять 3D-принтеры (некоторые технологии используются в стоматологии). И в конечном итоге ученые пришли к тому, что в процессе печати к «чернилам» можно добавлять клеточные элементы, то есть создавать живые имплантаты путем 3D-биопринтинга.

Фото: Институт им. Герцена

Но параллельно развивались и принципы регенеративной медицины. Было важно понять, какие клетки при этом нужны, сколько их нужно, каковы потенции этих клеток, нужны ли стволовые клетки, клетки-предшественники или можно использовать дифференцированные (специализированные) клетки. В процессе работы рождается много вопросов, которые требуют четких ответов. Это тот случай, когда идет параллельное развитие технологии и инструментария, а также исследование того, какими должны быть живые компоненты. И в конечном итоге все это должно складываться в новые технологии лечения.

— Значит, за регенеративной медициной будущее?

— Конечно. Человек рождается с огромным количеством стволовых клеток, которые осуществляют физиологическую и репаративную регенерацию всех органов в течение жизни. Считается, что у человека в течение жизни образуется не меньше 10 тонн новой крови и более 15 тонн кожи. Обновляются и кости. Полностью расходуются только нервные стволовые клетки, которых очень мало. Новые нейроны формируются примерно до 50–60 лет. В остальных тканях и органах к концу жизни остается достаточное количество стволовых клеток. А вот регенеративные процессы слабеют. Поэтому есть два направления регенеративной медицины: первая — стимуляция собственных стволовых клеток для восстановления дефектов; вторая, если стимулировать не удается или орган утрачен полностью, — имплантация тканеинженерных конструкций.

Крысы нам помогут

— Наталья Сергеевна, любое новшество (не только в медицине) базируется на предыдущих открытиях. Где-то в мире в медицине применяется то, над чем сейчас работает коллектив российских ученых?

— Да, работа наших ученых базировалась на полученных ранее данных. Но нам бы хотелось добавить что-то еще, что улучшит результаты лечения. К примеру, роботические технологии в таких случаях не применяются нигде в мире. В наших исследованиях биопечать производилась непосредственно на кожную рану у большой группы экспериментальных крыс при помощи робота-манипулятора. Предварительные результаты обнадеживают.

— А когда начат эксперимент с крысами? И откуда вы их берете? Их же, наверно, надо много?

— В нашем институте есть современный виварий.

Наш эксперимент проводится только на крысах (было более 50 крыс). Их разделили на группы. И с помощью различных методов наблюдали за тем, как зарастает дефект (рана на спине диаметром 2 см). Каждые два дня крыс фотографировали и измеряли дефект. Еженедельно по нескольку крыс выводили из эксперимента и проводили гистологические исследования, чтобы посмотреть, как идет заживление. Это большая и кропотливая работа. Предварительно решалось много биологических и технологических задач. Сама технология и разные ее компоненты готовились в течение полугода.

— Считается, что от идеи до внедрения в практику, например нового лекарства, проходит не менее 15 лет. А в вашем случае?..

— Надеюсь, это произойдет раньше. Люди не должны так долго ждать. Когда закончатся доклинические исследования, будем ждать разрешения Минздрава и других уполномоченных организаций на ограниченные клинические испытания на людях. Необходимо доказать безопасность технологии. Данный метод может быть использован при лечении не только онкологических больных, но и пациентов с хроническими ранами, в частности, с трофическими язвами. Границы применения в каждом конкретном случае будут определяться отдельно. Бездумно применять нельзя ничего.

— Какие выводы можно сделать уже сейчас?

— Мы на правильном пути.

* * *

— Безусловно, онкология будет одной из первых областей медицины, где эта технология будет востребована, — позже прокомментировал событие академик РАН и генеральный директор ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России Андрей КАПРИН. — Современный уровень хирургических вмешательств, огромный арсенал высокоточных методов облучения, применение широкого спектра химиотерапевтических и таргетных препаратов позволяют добиваться излечения большого количества онкологических больных. Однако после такого агрессивного лечения качество их жизни бывает неудовлетворительным из-за потери или нарушения функции органов. И в этом аспекте мы возлагаем большие надежды на 3D-биопринтинг как на технологию создания конструктов органов из живых элементов.