§ Как напечатать $ щитовидную Железу
£ Е.В.Кудан,
^ кандидат химических наук
^ И.С.Гладкая ^ Е.А.Буланова,
^ кандидат биологических наук
& Ю.Дж.Хесуани ^ В.А.Миронов,
^ кандидат медицинских наук
Лаборатория биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions» Москва
Трехмерная биопечать (3D-bioprinting) — одна органов. Для биопечати необходимы: трехмерная из самых интригующих и быстро развиваю- компьютерная модель органа, построенная с по-щихся в текущем столетии биомедицинских мощью специальных компьютерных программ технологий, которая обещает в обозримом буду- CAD (от англ. computer-aided design — автоматизи-щем решить проблему острой нехватки донорских рованное проектирование), «биобумага» — гидрогель, удерживающий живые клетки в заданном по© Кудан Е.В., Гладкая И.С., Буланова Е.А., Хесуани Ю.Дж., ложении, «биочернила» — способные сливаться МиРонов В А- 2015 между собой тканевые сфероиды, картридж для
Сотрудники лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions». Слева направо — И.С.Гладкая (старший научный сотрудник), Е.А.Буланова (заведующая лабораторией), С.В.Новоселов (директор лаборатории), В.А.Миронов (научный руководитель), А.Ю.Островский (генеральный директор), Ю.А.Смирнова (директор по маркетингу), Ю.Дж.Хесуани (исполнительный директор), Д.В.Фадин (директор по развитию), Е.В.Кудан (старший научный сотрудник), А.Н.Митряшкин (биоинженер), А.Д.Гладнева (лаборант).
Мультифункциональный трехмерный биопринтер «Фабион». Три его форсунки предназначены для «биочернил» (тканевых сфероидов или суспензии различных клеток), две другие — для «биобумаги» (биодеградиремых гидрогелей, которые не только фиксируют сфероиды в нужном положении, но и служат питательной средой для клеток).
них и биопринтер — диспенсер, т.е. роботическое раздаточное устройство*.
Разработкой биопринтеров в настоящее время активно занимаются в 16 компаниях 12 стран мира (США, Швейцарии, Австралии, Канаде, Великобритании, Сингапуре, Китае, Германии, Голландии, Франции, Японии и России). Одна из них — наша лаборатория «3D Bioprinting Solutions», где в июле прошлого года был собран первый отечественный биопринтер, а в марте текущего с его помощью планируется напечатать первую органную конструкцию, предназначенную для создания искусственной щитовидной железы. Почему мы выбрали именно этот орган, а не какой-нибудь другой, более оправданный с клинической точки зрения, — например, сердце, почку или легкое? Прежде чем ответить на этот вопрос, поясним, что такое напечатанная органная конструкция и чем она отличается от тканевой, а для начала напомним понятие «орган».
По определению, орган (от греч. opyavov — инструмент) — это обособленная совокупность различных типов клеток и тканей, объединенных в единую структуру, предназначенную для выполнения общей функции. Состоят органы обычно из
* Подробнее о технологии см.: Миронов В.А По стопам Гутенберга: трехмерная биопечать органов // Природа. 2013. №10. С.3—12. — Примеч. ред.
рабочей части (паренхимы), образованной функциональными клетками, и поддерживающей оболочки (стромы), включающей капсулу из соединительной ткани и перегородку, по которым идут нервы и сосуды. Большинство органов образовано из повторяющихся структурно-функциональных элементов (например, почка — из нефронов, щитовидная железа — из фолликулов). Ясно, что каждый из них, хоть и выполняет основные функции (нефрон — фильтрует плазму крови, фолликул — синтезирует гормоны), сам по себе не может рассматриваться как целый орган. Для этого, во-первых, таких элементов должно быть много и, во-вторых, они должны быть объединены в обособленную анатомическую структуру с определенной гистологической организацией и единым сосудистым руслом. Мы акцентируем внимание на этих, казалось бы, очевидных критериях в определении органа, потому что нас нередко спрашивают: можно ли считать уже созданные на биопринтерах тканевые конструкции кожи, хряща, сосудов и печени первыми напечатанными органами? В строгом смысле этого слова, конечно, нет, поскольку функциональность таких конструкций, которые также называют тканевыми органоидами, не обеспечена на уровне всего организма. Однако их ценность безусловна, в частности, они могут использоваться в доклинических исследованиях новых лекарственных препаратов, проверки их безопас-
S
s
a ?
s a
ности [1]. Например, в «Organovo» (Сан-Диего, США) — лидирующей компании в области 3D-bio-printing — печатают на биопринтере трехмерные образцы ткани печени, которые реагируют на токсины так же, как клетки настоящего органа. Эти образцы оказались эффективнее двухмерных аналогов и недавно прошли проверку в независимых лабораториях. Сейчас компания «Organovo» ждет одобрения от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and drug administration, США), после чего приступит к коммерческой биопечати тканей для производителей лекарств. Это очень важное достижение биотехнологии, поскольку использование трехмерных тканевых образцов позволит быстрее выводить новые лекарственные препараты на рынок, минуя этап их доклинической проверки на животных и повышая эффективность тестирования.
Почему щитовидная железа?
Органы напечатать нельзя, потому что они очень сложные, — утверждают наши оппоненты, скептически относящиеся к технологии трехмерной биопечати органов. Чтобы продемонстрировать ее принципиальную реализуемость, достаточно выбрать относительно простой орган — чем он будет проще, тем выше наши шансы напечатать его в ближайшее время. Щитовидная железа не
Схематическое изображение анатомического расположения щитовидной железы человека (слева) и микрофотографии ее структурной организации — кровеносной сети (вверху), визуализированной с помощью сканирующей электронной микроскопии сосудистых коррозионных препаратов, и гистологического среза (окраска гематоксилин-эозином), на котором видны фолликулы, содержащие коллоид и выстланные клетками однослойного эпителия (тироцитами).
имеет сложной системы протоков для выведения продуктов ее деятельности. Гормоны поступают прямо в густые сети фенестрированных (т.е. с порами для проникновения крупных молекул) кровеносных капилляров, которые оплетают каждый фолликул.
Сейчас известно, что эпителиальные фолликулярные клетки (тироциты) щитовидной железы синтезируют тироксин и трийодтиронин, которые регулируют клеточный метаболизм, ростовые и энергетические процессы, а парафолликуляр-ные (C-клетки) — пептидный гормон кальцитони-нодин, контролирующий кальциевый обмен и развитие костного аппарата.
Недостаток гормонов (гипотиреоз) может вызвать развитие кретинизма (у детей) или микседе-мы (у взрослых), а избыток (гипертиреоз, тиреотоксикоз) — разрастание тканей щитовидной железы и образование зоба. Проявления гипотиреоза вполне эффективно лечатся с помощью гормо-нозаместительной терапии, а вот с зобом не всегда удается справиться консервативными методами и приходится прибегать к хирургическим.
Надо сказать, что удалять щитовидную железу при ее патологическом увеличении врачи начали еще задолго до выяснения ее эндокринных функций. Большая заслуга в том швейцарских хирургов и особенно Т.Кохера (T.Kocher), который в 1909 г. был награжден Нобелевской премией «за работы в области физиологии, патологии и хирургии щитовидной железы». Кохер первым начал имплантировать ее ткань в брюшину пациентов после удаления зоба (тиреоидэктомии), что предотвращало развитие у них миксе-демы. По мнению историка медицины Т.Шлиха (T.Schlich), это заложило основы развития новой отрасли хирургии — клинической трансплантологии [2].
В 1930-х годах другой нобелевский лауреат, получивший премию «за разработку методов сшивания сосудов и трансплантации кровеносных сосудов и органов», А.Каррель (A.Carrel) вместе с инженером Ч.Линдбер-гом (Ch.Lindbergh) сконструировал перфузионный аппарат (по сути, первый биореактор). С его помощью им удалось в течение целого месяца поддерживать жизнеспособность (снабжать кровью и кислородом) щитовидной железы вне организма [3]. Впоследствии американский цитолог и онколог Дж.Фолькман (J.Folkman) вводил в изолированную перфузируемую щитовидную железу клетки мелано-
мы, изучая связь между ростом новообразований с их кровоснабжением, что привело к открытию феномена опухолевого ангиогенеза и созданию противораковых препаратов нового поколения [4].
В щитовидной железе могут развиваться различные по происхождению и биологическим свойствам новообразования, в том числе и злокачественные. Во избежание рецидива врачи, как правило, прибегают к тотальной тиреоидэкто-мии, а возникающий затем дефицит гормонов обычно компенсируют заместительной терапией. Однако синтетические гормоны, которые также используют при гипотиреозе различной этиологии, могут вызывать побочные эффекты (аллергические реакции, нарушения сердечного ритма, нервные расстройства). Решить такого рода проблемы могла бы трансплантология, однако пересадка донорской щитовидной железы (аллотрансплантация) в настоящее время выполняется крайне редко из-за отторжения чужеродной ткани.
В Великобритании есть специальное общество, оказывающее финансовую поддержку исследований по пересадке щитовидной железы. Бывший редактор журнала «Thyroid» (официального журнала Американской тиреоидологической ассоциации (American Thyroid Association) Т.Ф.Дэ-вис (T.F.Davies) полагает, что вопрос о пересадке щитовидной железы — это вопрос времени, а не возможности исполнения [5].
Трехмерная биопечать аутологичных (т.е. из клеток пациента) органов позволит решить проблемы не только щитовидной железы. И эти надежды не беспочвенны, какими бы фантастическими они ни выглядели для непосвященных. Как любая новая технология, метод 3D-bioprinting возник не на пустом месте, он вобрал в себя достижения информационных и технических наук, науки о биоматериалах, генетики, биологии развития и клеточной биологии. И, наконец, наступило время, когда мы готовы показать принципиальную реализуемость технологии. Для этой цели мы стремимся не только выбрать наиболее простой орган для биопечати органной конструк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.