3D-биопечать — новое, бурно развивающееся направление регенеративной медицины, возникшее менее десяти лет назад. Сегодня в работу над технологиями, материалами и техникой для биопечати вовлечены полтора десятка компаний в Северной и Южной Америке, Европе, Азии и России. Потенциальных заказчиков, с нетерпением ожидающих новых научных сообщений о развитии технологии, на порядок, а то и два, больше.
Это не только медицинские учреждения, остро нуждающиеся в органах и тканях для пересадки, но и фармацевтические компании. Ведь проведение доклинических испытаний новых лекарств на напечатанных биоконструктах и отдельных органах, как ожидается, будет существенно дешевле, быстрее и даже эффективнее, чем на лабораторных животных. Пищевые компании тоже проявили интерес: почему бы не использовать биопечать для изготовления антрекотов?
Однако главная цель развития технологии 3D-биопечати всё же пересадка тканей и органов, изготовленных из собственных клеток пациента, а потому не отторгаемых иммунной системой. Уже в марте нынешнего года лаборатория биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Cолюшенс» планирует начать работу по изготовлению щитовидной железы, используя технологию 3D-биопечати на биопринтере ФАБИОН собственной разработки. ФАБИОН представляет собой многофункциональную систему, которая для создания органного конструкта может использовать различные «биочернила» — клеточные конгломераты (например, сфероиды) или суспензии отдельных клеток.
Кроме того, с помощью специально разработанного программного обеспечения можно конструировать собственную компьютерную модель будущего органа или ткани или же импортировать готовые трёхмерные модели. «Биобумага» — специальный гель, на котором печатают органные конструкты, — в российском биопринтере распыляется из двух специализированных форсунок. Важное отличие нового биопринтера — раздельное распыление (или диспенсирование) клеточного материала и «биобумаги».
Схема фолликула щитовидной железы, опутанного сетью кровеносных сосудов, через которые синтезируемый гормон попадает прямо в кровяное русло органа
Дело в том, что для полимеризации (затвердевания) гидрогеля его облучают ультрафиолетом, который опасен для клеточного материала, так как повреждает ДНК. Инженерное решение, найденное для отечественного биопринтера, исключает подобное повреждение. Крошечная щитовидная железа, которая будет напечатана, предназначена для пересадки взрослой мыши.
Именно эксперимент с живым организмом может подтвердить (или не подтвердить) работоспособность напечатанного органа (или, как его называют специалисты, органного конструкта). Для этого предварительно у мыши предполагается удалить или «выключить» с помощью инъекций радиоактивного йода её собственную щитовидную железу. Прямым доказательством работы напечатанного органа станет восстановление нормального уровня гормона щитовидной железы (тироксина) в крови животного.
«Использование мелких животных в эксперименте значительно упрощает и удешевляет процесс биофабрикации функциональных тканевых конструкций», — пояснил научный руководитель лаборатории Владимир Миронов. Предполагаемый размер будущей щитовидной железы совсем небольшой — несколько миллиметров. Выбор щитовидной железы в качестве первого органа для биопечати связан с относительной простотой её организации. Структурная и функциональная единица щитовидной железы — фолликул, он синтезирует гормоны. Фолликулы объединены в анатомическую структуру с единым сосудистым руслом.
Синтезируемые фолликулами гормоны поступают непосредственно в сеть кровеносных капилляров, буквально опутывающих каждый фолликул. Для экспериментальных целей, как полагают авторы исследования, помимо фолликул напечатанному органу достаточно иметь одну артерию (через которую поступает кровь) и одну вену (через которую кровь отводится от щитовидной железы). Остальными структурными элементами, в том числе нервными клетками и клетками лимфатической системы, пока можно пренебречь.
Другой важный момент, принятый во внимание при выборе первого органа для биопечати, — это то, что функция щитовидной железы очень хорошо изучена. Например, известно, сколько приблизительно в щитовидной железе фолликулов и какого они размера у того или иного животного. Несложно оценить, сколько их нужно для достаточной выработки гормонов будущим имплантом. Фолликулы щитовидной железы выстланы клетками тироцитами, которые и должны быть строительным материалом для будущего органа. Где их взять в достаточном количестве?
Упрощённая схема строения щитовидной железы, принятая для биопечати. На рисунке показаны одна входящая артерия и одна выходящая вена
На сегодняшний день используют три основных источника. Это эмбриональные экспланты* щитовидной железы, направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и клетки взрослого организма, которые с помощью генетического репрограммирования вернули в эмбриональное состояние (такие клетки называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками — ИПС-клетками).
Фолликулы, материалом для которых служат ЭСК или ИПС-клетки, изначально не обладают сосудистой сетью, а приобретают её только после пересадки реципиенту. Поэтому напечатанный из таких фолликулов орган нельзя считать полноценным. Так что применение эмбриональных эксплантов щитовидной железы считается предпочтительным. «Фолликулы, которые можно использовать в качестве строительных блоков, уже васкуляризированы (то есть содержат сосудистую сеть. — Прим. ред.) с 15-го дня эмбриогенеза», — комментирует руководитель лаборатории.
Для формирования кровяного русла органной конструкции исследователи используют способность клеток эндотелия к самосборке в капилляры и в сосуды. Тканевые сфероиды с просветами внутри, как показали эксперименты, сливаются, образуя внутри будущего органа сосудистое русло. Насколько работоспособен будет напечатанный орган, покажет мониторинг уровня вырабатываемого им тироксина в крови экспериментального животного. «Наши первые результаты мы планируем представить мировому научному сообществу на Втором Международном конгрессе по биопринтингу, который состоится в Сингапуре в июле 2015 года», — сообщил Владимир Миронов.
Автор статьи: Татьяна Зимина
Иллюстрации из лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс»
Почему биомолекула лучше, чем просто молекула?
У биомолекул, то есть молекул круп ных, больше шансов пройти кли нические испытания, чем у маленьких. Главная проблема маленькой молеку лы — пока ты не поместил её в челове ческое тело, ты ни в чём не можешь быть уверен. Человеческое тело для маленькой молекулы — гигантская лабораторная пробирка: помещая в неё молекулу, ты понятия не имеешь, как она будет метаболизироваться — участвовать в обмене веществ.
Моя любимая история — про Glivec, лекарство от рака, разработанное Novartis. Этот препарат в испытаниях оказался смертелен для собак. Поэтому по стандартной схеме тестирования Glivec никогда бы не попал к людям. Но причина, по которой он смертелен для собак, — специфика собачьей пе чени, во многих отношениях отличной от печени человека. Печень собаки трансформирует активный компонент в высокотоксичное вещество, в то время как человеческая никак на него не влияет.
Мораль этой истории: пока вы не поместили маленькую, химически синтезированную молекулу в человеческое тело, вы ничего не знаете о том, как она себя там поведёт. Даже сегодня, при всех достижениях геномики, пред сказать поведение химических молекул в человеческом организме сложно: для этого надо иметь целостное и полное представление о том, как работает чело веческое тело. Его у нас пока нет. Что касается биологических молекул, антител, они все более или менее похо жи друг на друга, поэтому гораздо более предсказуемы. Это одна из причин того, почему 40% средств фармацевтической индустрии сейчас идут в биолекарства.
Биомолекулы гораздо дороже в производстве и гораздо сложнее для хранения, но доля успешных среди них гораздо выше. А с малыми молекулами мы пока очень часто терпим неудачу.
Из лекции профессора Р. Стивенса «Adventures in structure-based drug discovery», прочитанной студентам МФТИ 30 сентября 2014 года.
Молекулы, в том числе протеины (белки), нуклеиновые кислоты, вода, пептиды, гормоны и углеводы, образуются химическим соединением двух атомов и более. Рэймонд Стивенс и его коллега Вадим Черезов, руководитель лаборатории аналогичного профиля в МФТИ, получают изображения молекул, в частности тех белков мембраны клетки, которые служат для межклеточной коммуникации, чтобы понять, как отдельные их атомы будут связываться с функциональными группами молекул потенциальных лекарств. Далее создаётся компьютерная модель внедрения потенциального лекарства в обнаруженные сайты связывания.
В МФТИ открылась лаборатория, исследующая рецепторы, сопряжённые с G-белками. Руководитель лаборатории Вадим Черезов готовит образцы белков к исследованию методом рентгеноструктурного анализа.
Наконец, в сотрудничестве с химиками синтезируются компоненты, прицельно бьющие по белкам-мишеням, то есть по белкам, участвующим в развитии заболевания, чтобы блокировать или активировать их. Коммуникаторы, избирательно контролирующие передачу химической информации в клетку и из клетки, — это GPCR, или G-Protein Сoupled Receptors — в названии отражена их способность передавать сигнал внутрь клетки через G-белок, специальный партнёр этого взаимодействия.
«Граалем» биомолекулярного исследования они стали потому, что контролируют информацию, поступающую в клетку в виде световой энергии, пептидов, липидов, сахаров и белков, то есть сигналы, которые оркеструют практически все жизненно важные физиологические процессы, от иммунной функции до вкуса и обоняния, от работы сознания до сокращений сердца. Соответственно нарушения их функции лежат в основе многих грозных заболеваний, которые до недавних пор звучали приговором, не подлежащим обжалованию.
Известно более 800 типов GPCR — это крупнейшее белковое семейство, представленное в человеческом геноме. Они отвечают за 80% клеточной коммуникации, и примерно 40% существующих сегодня лекарственных препаратов работают, связываясь с этими рецепторами. Потенциал использования GPCR-структур для рационализации поиска новых лекарств огромен. Профессор Стивенс предполагает, что первые заметные результаты будут получены в лечении рака, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний, проблем эмбрионального развития и нейродегенеративных заболеваний — Паркинсона, Альцгеймера и аналогичных.
В античное время на юге нынешней территории России и Украины существовало Боспорское царство. Его история началась в V веке до н.э., когда несколько греческих городов-колоний на северном берегу Чёрного моря объединились (вольно или невольно) под властью одного правителя.
Государство оказалось крепким: оно успешно отражало натиск соседних варварских племён до конца IV века нашей эры. Боспор играл важную роль в причерноморском регионе — он находился на границе сначала греческого, а потом римского мира. Царство в разные периоды своей истории снабжало хлебом Афины, было последним оплотом Митридата VI Евпатора, понтийского царя, осмелившегося воевать с Римом.
Изучением истории Боспорского царства активно занимаются российские и украинские археологи. Большинство экспедиций работают летом, но если археологическим памятникам грозит застройка, то работы проводятся в любое время года. В январе 2014 года под Анапой закончились охранные археологические раскопки, которые проводило ООО «Столичное археологическое бюро». Руководили работами Константин Воронин и Максим Меньшиков.
Исследования проводились на территории современной Анапы, где в древности находился боспорский город Горгиппия — крупный порт, центр обширной сельскохозяйственной округи (хоры). Раскопки оказались весьма успешными: в шести километрах от Горгиппии, в современном посёлке Супсех, открыты и полностью изучены две античные усадьбы и «варварский» некрополь. Памятники расположены на двух соседних холмах. На восточном холме обнаружены могильник и античная усадьба, при строительстве которой могильник был частично разрушен. Ещё одна усадьба размещена на западном холме.
Некрополь предварительно датируется VIII—VI веками до н.э. Всего археологи нашли 14 могил. Исследователи не исключают, что первоначально погребений было больше. Наиболее ранние могилы, вероятно, связаны с так называемыми протомеотскими древностями, они обложены внутри камнями. Более поздние могилы представляли собой «классические», аккуратные каменные ящики. В некоторых из них были захоронены два человека, есть следы неоднократного использования погребений.
«В одной из могил находился скелет в скорченном положении. Кости ещё одного, а возможно, и двух человек, были смещены к южной стенке погребальной камеры», — рассказывает Максим Меньшиков. Находок в могилах немного, в основном это бусы и металлические булавки. Античная усадьба на восточном холме существовала в V—III веках до н.э. На раннем этапе, в V—IV веках до н.э., усадьба состояла не менее чем из четырёх-пяти помещений. Они имели правильную форму, кладки стен очень качественные.
Однако памятник пережил как минимум одну крупную перепланировку, поэтому от ранней застройки сохранилось немного. В частности, археологи открыли подвалы и очаг. При раскопках «ранней» усадьбы найдены шесть наконечников стрел. Не исключено, что перед нами свидетельство вооружённого конфликта, из-за которого поселение на время было оставлено. Однако других доказательств предполагаемого столкновения нет. Период запустения продолжался не более 100 лет. Возможно, уже в IV веке до н.э. сюда снова приходят люди и строят новую усадьбу.
«Поздняя» усадьба датируется IV—III веками до н.э. Её планировка не совпадает с более ранней. Усадьба состояла из нескольких помещений, часть из которых была пристроена к общей длинной стене. С севера к комплексу примыкал большой двор, обнесённый стеной. Во дворе найдены нижние части ям для пифосов (крупных сосудов для хранения продуктов). Одно из самых интересных сооружений памятника — винодельческий комплекс. В него входила давильная площадка, обмазанная специальным раствором — цемянкой.
На площадке были закреплены два хорошо обработанных камня. Вероятно, они служили опорой для пресса. Рядом с давильной площадкой обнаружена цистерна для сбора виноградного сока. «Цистерна сделана очень хорошо. Стены почти идеально ровные, дно имеет небольшой уклон, рассчитанный так, чтобы виноградный сок стекал в один из углов ёмкости. В этом углу находилось углубление в виде воронки, из которого отчерпывались последние капли виноградного сока», — отмечает Максим Меньшиков. Усадьба на западном холме относится к IV—III векам до н.э. От неё сохранилось четыре помещения. В одном из них, вероятно, находился «склад». На полу этого помещения выявлены многочисленные углубления для сосудов.
В какой-то момент усадьба претерпела серьёзную перепланировку. В частности, «склад» засыпают, а на его месте строят новое помещение с очагом. «На западном холме цемянка использовалась только однажды и исключительно для ремонта стены. Эта стена располагалась перпендикулярно склону, не выдержала давления грунта и проломилась внутрь помещения. Не исключено, что хозяин усадьбы позаимствовал раствор у своего соседа — тот регулярно использовал цемянку для ремонта в своей винодельне», — говорит Максим Меньшиков.
Зачистка нижней части пифоса на территории усадьбы IV—III веков до н.э. Фото Максима Меньшикова. При раскопках найдено около 240 монет, что довольно много для небольших поселений. Обнаружено около десятка граффито (процарапанных надписей) на столовой посуде. Одной из самых интересных находок стал костяной трёхлопастный миниатюрный наконечник стрелы — полное подражание бронзовым наконечникам того времени. Всего на музейное хранение передадут около 900 находок. Более половины из них — фрагменты чернолаковой керамики.
Обработка материала, полученного при раскопках, ещё не закончилась, поэтому делать окончательные выводы рано. Однако археологи надеются, что исследования в окрестностях Анапы дополнят наши представления о том, как складывались отношения между местным «варварским» населением и греками, как выглядели сельские поселения на хоре Горгиппии и чем занимались их жители.
Автор матриала: Егор Антонов
Всё больше технологии 3D-печати находят применение в медицине. Но если, например, биопечать органов — дело будущего, то 3D-печать имплантов из различных биосовместимых материалов уже возможна сегодня. Недавно Физический институт РАН (ФИАН) сообщил о разработке послойного синтеза объёмных изделий из никелида титана, которые могут использоваться в качестве имплантов, для адресной доставки лекарств и в тканевой инженерии — в качестве матрикса («каркаса») для создания утраченных тканей непосредственно в живом организме. В поры такого матрикса вносятся клетки пациента, из которых и происходит рост ткани. Матриксы затем остаются вживлёнными в новую структуру.
Никелид титана (нитинол) — перспективный материал для имплантов и матрикса, поскольку не только биосовместим, но и суперпластичен, обладает эффектом памяти формы, высокой коррозионной стойкостью. До сих пор его изготавливали литейным способом, и полученные таким образом изделия требовали дальнейшей доработки с учётом индивидуальных особенностей пациента. Очевидно, что точность формирования поверхности изделия, изменения её шероховатости сильно зависят от точности настройки соответствующего оборудования и задаваемых параметров. А это в свою очередь влияет на успешность установки импланта.
3D-печать модели требуемого участка организма (например, участка кости) на основе данных компьютерной томографии избавлена от этих проблем. Один из применяемых методов 3D-печати — технология селективного лазерного спекания (плавления). С её помощью можно получать и беспористые импланты, и матриксы с контролируемой пористостью. Меняя дизайн внутренней структуры поровых каналов, можно интенсифицировать прорастание соединительных тканей в матрикс, увеличить площадь соприкосновения (а вместе с ней и механическую прочность) между имплантом и костью.
Пористые каналы предполагается насыщать лекарственными препаратами — для активации вживления, предотвращения некроза клеток. Но до сих пор синтез объёмных изделий из нитинола послойным лазерным плавлением не находил применения из-за трудности подбора параметров процесса. Кроме того, полученное изделие требовало последующей термообработки, чтобы избежать деформации, трещинообразования и разрывов в объёме при остывании продукта. Сотрудники Самарского отделения ФИАНа после многочисленных экспериментов нашли оптимальные условия получения 3D-изделий из нитинола, не требующих дальнейшей доводки.
Получаемые по новой технологии образцы имеют в 1,5—2 раза более высокую микротвёрдость по сравнению с литыми изделиями, что расширяет их применение: не только для тканевых конструкций, но и при имплантации высоконагруженных участков скелета в ортопедии, в челюстно-лицевой хирургии. В ходе исследований специалисты ФИАНа обнаружили, что размер пор такого материала для успешного прорастания стволовых клеток должен быть соизмерим с размерами самих стволовых клеток — не больше и не меньше. Эффект памяти формы, присущий нитинолу, физики использовали для разработки системы контролируемой доставки лекарств.
Например, имплантированная капсула из нитинола, в порах которой находится лекарство, при повышении температуры пациента меняет свою форму и расстояния между порами, в результате лекарство высвобождается и поступает к больному участку. При выздоровлении температура тела снижается, капсула возвращается к «холодной» форме, расстояния между порами восстанавливаются и выход лекарства прекращается. Сейчас физики ведут совместные эксперименты с биологами с тем, чтобы выявить оптимальные характеристики образцов.
Автор статьи: Татьяна Зимина
Страны и народы постоянно учатся друг у друга: отстающие стремятся догнать лидеров, а иногда и обгоняют их. Однако возможности и способности к развитию, в том числе через усвоение чужого опыта, у всех разные.
Очередной Казанский фестиваль мусульманского кино закончился громким скандалом. Приз за полнометражный документальный фильм неожиданно был вручен за рассказ о коллаборационистском легионе вермахта «Идель-Урал», составленном из военнопленных — представителей народов Поволжья. Сразу отмечу, что «Война непрощенных» Дениса Красильникова снималась под патронатом президента Татарстана, при поддержке полномочного представительства в Москве, и даже первый глава республики Минтимер Шаймиев произносит в картине небольшую речь.
всего статей: 69
