«Ключевая задача сейчас — это создание биореактора»
Профессор Петр Тимашев — о том, чему посвящен мегапроект «Орган на заказ»
Российские ученые создали технологию для серийного производства искусственных роговиц глаза и приступили к разработке биоинженерных конструкций для стоматологии. Какие еще ткани сегодня можно создать в лаборатории, в чем главная сложность при их выращивании и на что направлен запустившийся в этом году мегапроект «Орган на заказ», в интервью «Известиям» рассказал научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Минздрава РФ профессор Петр Тимашев.
«Проблема нехватки донорского материала актуальна для всех органов»
— Насколько близко сегодня наука подошла к созданию органов с помощью методов биоинженерии?
— Первые шаги ученые стали предпринимать в 1980-х годах. Они пытались создать самый большой орган нашего тела — кожу. Тогда казалось, что достаточно взять мембрану на основе коллагена и несколько типов клеток, чтобы получить кожу, максимально приближенную к естественной. Но затем начали вставать вопросы иннервации, формирования волосяных фолликулов, воссоздания микробиома… В общем, задача оказалась куда более сложной.
Биоинженерную кожу, имеющую те же характеристики, что и естественная, пока что так и не удалось создать. Однако опыт и знания, накапливаемые годами, позволили уже к началу 2000-х годов из собственных клеток пациента получить мочевой пузырь, а позднее — клапаны сердца. Количество исследований, посвященных тканевой инженерии, росло в геометрической прогрессии, и сегодня уже наработана достаточно большая теоретическая база. Очень много исследований проведено на животных моделях. И это направление развивается всё активнее, потому что возможность выращивать ткани и органы из собственных клеток пациента решает сразу несколько важнейших проблем. Во-первых, отпадает необходимость ждать подходящего донора. Во-вторых, риски отторжения сводятся к минимуму — никаких чужеродных клеток ведь в организм не попадает. Трансплантология, реконструктивная хирургия могут получить мощнейшую поддержку.
— Какие органы сейчас наиболее востребованы с точки зрения трансплантологии?
— Невостребованных органов нет. Конечно, наибольшая очередь сегодня на трансплантацию почки. Но, к сожалению, с точки зрения воссоздания в лаборатории почка — один из наиболее сложных органов. Даже один полноценный нефрон получить — нетривиальная задача, а в почке их более миллиона. Печень, сердце, скелетные ткани… Проблема нехватки донорского материала актуальна для всех органов.
— Какие из них создать в лаборатории потенциально проще всего?
— На самом деле многое зависит от объемов воссоздаваемой ткани. Вырастить маленький кусочек хряща, кости, кожи возможно в условиях лаборатории. Если мы говорим о фрагменте размером несколько сантиметров — тут уже сложнее. А если пациенту нужно пересадить 40% кожи? А если требуется имплант кости длиной 20 см? У нас есть технологии для ускорения непосредственно роста клеток, внеклеточного матрикса. Но методики получения крупных фрагментов тканей еще в процессе формирования. Например, если образовать сфероид, состоящий из клеток размером 1 мм, внутри него начинает развиваться некротическое ядро — до клеток не доходят питательные вещества. Мы разработали подход, при котором сначала образуем сфероиды с размерами 100 микрон, а затем собираем их вместе — и тогда внутри этого миллиметрового шара некроз не развивается. Но всё это работает на маленьких объемах, а при дальнейшем масштабировании могут понадобиться иные подходы.
— Но проблема не только в этом?
— Вторая не менее серьезная трудность — отсутствие единой технологической цепочки, которая позволила бы транслировать результаты исследований в клиническую практику. Необходимо не только создать те или иные ткани, но и выработать стандартный протокол, который позволил бы раз за разом создавать их снова. В истории с мочевым пузырем, например, ученые получили около десятка образцов, но на этом всё так и остановилось.
Наши специалисты Центра инновационных коллагеновых разработок несколько лет посвятили созданию искусственной роговицы. Но помимо самих образцов они разработали также и технологию, которую можно использовать для серийного производства. И мы уже работаем над ее внедрением вместе с индустриальным партнером.
«Внутри человеческого организма заложен гигантский потенциал»
— В этом году в Сеченовском университете стартует мегапроект «Орган на заказ». На что он направлен?
— В первую очередь как раз на разработку единого протокола по созданию тканей из клеток пациента. К сегодняшнему дню мы наработали ряд базовых технологий и теперь готовы переходить к более серьезным, комплексным решениям. Это естественный и закономерный путь. Барабанная перепонка по сложности строения и размерам не сравнится ни с печенью, ни с сердцем. Но без понимания нюансов, связанных с ее воссозданием, невозможно перейти к печени или сердцу.
Концепция мегапроекта предполагает формирование технологической цепочки, которая позволяет по запросу воссоздавать сложные ткани для конкретных пациентов, и достраивание ее передовыми технологиями в случае необходимости. Не в каждом случае обязательно с нуля выращивать орган и пересаживать его. Иногда достаточно ускорить естественные процессы регенерации. Такие подходы тоже войдут в будущий единый протокол. Вся концепция мегапроекта связана с идеей, что внутри человеческого организма заложен гигантский потенциал. Его надо просто направить в нужное русло и дать ему возможность реализоваться.
— На каком этапе эта работа?
— Технологии для такого масштабного проекта у нас уже есть. Теперь необходимо их систематизировать и выстроить взаимодействие так, чтобы обеспечить полный цикл производства — от конкретного запроса до формирования комплекса тканей, готового к пересадке. И это крайне масштабная задача. Подпроекты охватывают вопросы не только биологии и химии, но и физики, бионических технологий и даже социологии, юриспруденции.
— Какими будут первые шаги в рамках мегапроекта?
— Ключевая задача сейчас — это создание биореактора. Нам необходимо многофункциональное устройство, которое можно адаптировать под конкретные задачи. Если мы выращиваем сосуды, нужно добиться протекания жидкости с определенной скоростью, чтобы этот сосуд был всё время под необходимым механическим воздействием. Если мы выращиваем нейроны, нервную ткань, им понадобится электрическое воздействие. Для каждого отдельного случая нужна своя комбинация факторов, которую обычный биореактор просто не способен обеспечить. Поэтому сначала нам нужно организовать такую систему, которая с помощью механических, электрических и других воздействий формировала бы необходимую для роста конкретной ткани среду.
Мы уже начали работу по созданию биоинженерной лаборатории, которая позволит нам реализовать эту задачу. Потом такой биореактор можно будет использовать и для выращивания биоэквивалентов, и для тестирования лекарств.
— Чтобы показать работоспособность технологической цепочки, нужно будет создать с ее помощью какой-то орган. Что это будет?
— Мы начнем с пародонтального комплекса. Это сложная структура, включающая в себя ткани, обеспечивающие удержание и физиологическую регенерацию зуба, а именно цемент зуба, периодонтальную связку и альвеолярную кость. Самая большая проблема — это не вырастить ту или иную ткань, а обеспечить соединение и одновременное функционирование нескольких ее видов. Там, где происходит взаимодействие тканей, мы говорим уже о совершенно новых механических, адгезионных (прочностных), функциональных свойствах. И эту проблему нам еще предстоит решить.
— Сколько времени займет реализация мегапроекта?
— Наш горизонт планирования — пять лет. За это время мы создадим отечественный программно-аппаратный комплекс многоячейкового биореактора, набор стандартизованной биобумаги и биочернил для различных задач, разработаем технологическую цепочку и, что самое главное, стандартный протокол создания сложных органов на заказ. Но уже к 2027 году мы рассчитываем вывести на уровень клинической практики создание пародонтального комплекса как первый пример реализации нашей концепции.
