Штучна шкіра та кістка: що вміє біопринтер

У Каразінському університеті науковці вдосконалюють технології біодруку й готують нових фахівців

У лабораторії Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна запрацював роботизований біопринтер, на якому можна створити еквіваленти шкіри, рогівки ока, кісткової та хрящової тканин. Для цього використовуються природні чи синтетичні полімери, біосумісні метали, кераміка та живі клітини людини.

Як працює найсучасніше обладнання та які перспективи відкриває для практичної медицини у Харкові, дізналися кореспонденти Укрінформу.

ЗА ХАРАКТЕРИСТИКАМИ – ЄДИНИЙ У СХІДНІЙ ЄВРОПІ

Керівник лабораторії біомедичних досліджень “Karazin BioMed”, кандидат біологічних наук Юрій Кот розповів, що біопринтер вартістю 22 млн грн – унікальний несерійний прилад. Він виготовляється виключно під конкретного замовника і з бажаними для нього характеристиками. У компанії-виробника “харківський” принтер – 17-й за ліком.

- А за наявною комплектацією він узагалі один у Східній Європі. Паралельно з нами Чехія замовляла біопринтер. Але у них дві головки, що друкують, а в нас – п’ять, – зауважує керівник лабораторії.

Тож унікальним обладнанням цікавляться науковці не лише в Україні: виш уже підписав договір із Національним інститутом охорони здоров'я та медичних досліджень Франції щодо експериментальних розробок.

АБСОЛЮТНА СТЕРИЛЬНІСТЬ І “МАТРАЦИ” ДЛЯ КЛІТИН

Перш ніж принтер почне друкувати біоінженерний конструкт (саме так називається готовий виріб), на нього працює весь комплекс обладнання “Karazin BioMed”.

Процес починається у стерильному боксі для культивування клітин. Вхід – виключно у спеціальному костюмі. Всередині підтримується постійний позитивний тиск стерильного повітря (показник видно на манометрі), тому при відкриванні дверей неочищені повітряні маси з іншої частини лабораторії у приміщення не потрапляють.

- Тут відбувається підготовка клітин або біополімерів. Робота в культуральному боксі організована так, щоб запобігти контамінації (зараженню) культур клітин людини та реагентів мікроорганізмами. Проте, за сучасними протоколами, самого стерильного приміщення недостатньо: потрібно, щоб усі процеси відбувалися в ламінарному боксі. Це прилад, який очищає, стерилізує та спрямовує повітря з рівномірною швидкістю в ізольовану від довкілля робочу камеру. На робочій поверхні такого боксу можемо відкрити чашки Петрі чи флакончики з реагентами, не боячись, що відбудеться зараження, – пояснює науковець.

Якщо потрібно надрукувати, наприклад, штучну шкіру для пересадки, можна взяти клітини в самого пацієнта – зробити біопсію.

- Ми вміємо виділяти різні типи клітин людини та розмножувати їх у лабораторних умовах. Необхідні умови – температуру, вологість і навіть відповідний газовий склад атмосфери – забезпечує прилад, який називається вуглекислотний інкубатор. У робочій камері розміщують флакони з поживним середовищем для культивування клітин, науковим сленгом – “матраци”. Ми працюємо з багатоярусними флаконами: ось їх три, і на кожному “поверсі” росте шар товщиною в одну клітину, – демонструє керівник лабораторії.

Процес росту клітин контролюють за допомогою мікроскопа – теж із термостатом, підключенням вуглекислого газу, підтримкою вологості. Далі – перевірка на цитометрі.

- Він, по-перше, рахує клітини. Прилад робить абсолютний підрахунок. Якщо там, умовно, 1 млн 200 тисяч 1 клітина, він так і визначить. Така точність важлива для розуміння того, скільки клітин напрацювали та чи їх вистачить для створення біоінженерного продукту. А найголовніше – що цитометр може аналізувати життєздатність клітин, визначати кількість живих, придатних для подальшої роботи, – пояснює Кот.

НАДРУКОВАНИЙ ВИРІБ МАЄ… ДОЗРІТИ

Перевірені клітини у достатній кількості відправляють до принтера. Програмне забезпечення створює потрібну модель біоконструкта. Для “друку” використовуються не тільки клітини, а й біополімери.

- Самі по собі клітини не побудують необхідний тривимірний об’єкт – їм потрібно за щось зачепитися. Біополімери створюють немовби каркас, арматуру. А власне процес біодруку відбувається з використанням спеціальних дозаторів, кожний із яких працює з певним типом матеріалу. У нас є два дозатори для клітин і два – для біополімерів. І вони можуть продукувати надтонкі волокна в мікрометровому та нанометровому діапазоні – в десять або навіть у тисячу разів тонші за людську волосину. Це співставно з реальною товщиною волокон біополімерів у тканинах людини. І ще в нас є диспенсер розплавів – для біосумісних металів і металокераміки, – розповідає Кот.

Під час друку принтер одночасно застосовує різні комбінації трьох технологій подавання матеріалів з використанням цих п'яти дозаторів. Об'єми матеріалів, якими оперує прилад, настільки малі, що побачити неозброєним оком процес просто неможливо – тільки загальну форму виробу.

- Це як своє ім’я, прізвище і всі контактні дані написати на полі міліметр на міліметр, – пропонує уявити Юрій Кот. – Тому контроль процесу в режимі реального часу відбувається під прицілом відеокамери високої роздільної здатності.

На друкуванні процес не завершується: біоконструкт повертають у стерильний бокс і поміщають у ще один спеціальний прилад.

- Біопринтер не видає готовий продукт, це не конвеєр. Оскільки клітини мігрують та діляться постійно, потрібен час, щоб вони адаптувалися до нових умов і поступово мігрували у необхідні шари конструкту. Щоб на мікрорівні була повна або майже повна ідентичність до природних тканин, біоконструкт проходить так званий процес дозрівання у біореакторі.

Готовий виріб перевіряють на конфокальному мікроскопі – приладі, який дозволяє дослідити структуру штучної тканини, розподілення та стан клітин у ній. Все керування – з моніторів. Роботу мікроскопа науковець пояснює так:

- Простими словами, це як томограма, тільки на мікрорівні. Ми наші біоінженерні конструкти досліджуємо у тривимірному просторі. Бачимо кожну клітину. Попередньо продукт обробляється спеціальними флуоресцентними реагентами-мітками. Після чого, наприклад, загиблі клітини світяться червоним кольором і програмне забезпечення може порахувати їх кількість у всьому об'ємі штучної тканини. 100% здорових і живих клітин не буває ніколи, вони доволі вразливі в лабораторних умовах. Крім того, в штучних тканинах, як і в організмі, також відбувається процес загибелі клітин від старості. 90-95% життєздатності – це чудовий результат.

У ПРІОРИТЕТІ – КЛІНІЧНА ПРАКТИКА...

Створені біопринтером вироби знадобляться у трансплантології, реконструктивній хірургії, регенеративній медицині, травматології, ортопедії, кардіохірургії, стоматології та для тестування нових лікарських засобів.

- До появи біопринтера ми могли в лабораторії робити невеликі фрагменти еквівалентів шкіри, тепер же за якісь два тижні можна отримати доволі великі за площею та стандартизовані фрагменти, придатні для використання в клініці. Штучна кістка – більш складний продукт, процес виготовлення може тривати до 20 діб, – зазначає Юрій Кот.

Університет хоче отримати ліцензію МОЗ на вироби медичного призначення. Очікується, що на це знадобиться не менше року.

- Але вже зараз ми можемо брати участь у доклінічних та клінічних випробуваннях. Ми почали проводити семінари з лікарями-практиками, хірургами зокрема, які цікавляться нашими можливостями. Можемо виробляти еквіваленти шкіри для лікування опіків, еквіваленти хрящової та кісткової тканин для лікування травм опорно-рухового апарату, різноманітні покриття для пришвидшення загоєння ран та інше. Звісно, спочатку це будуть експериментальні вироби, бо ще не відпрацьовані та офіційно не затверджені протоколи. Але впровадження виробів у клінічну практику – наш пріоритет, – каже Кот.

…І НАВЧАННЯ МАЙБУТНІХ БІОІНЖЕНЕРІВ

Комплекс обладнання лабораторії біомедичних досліджень “Karazin BioMed” створювався кілька років, переважно завдяки благодійникам, а також науковим грантам і цільовим коштам з держбюджету. Біопринтер університет отримав у межах інвестиційному проєкту “Вдосконалення вищої освіти заради результатів” від Міністерства освіти і науки та Світового банку.

- Крім наукового та виробничого процесів, ми взяли на себе зобов’язання ввести це обладнання в освітній процес. Воно буде доступне для студентів і аспірантів біологічного, медичного та фізико-технічного факультетів. На наступний семестр ми вже змінюємо освітні програми, щоб були відповідні лабораторні роботи, тренінги, практикуми, сертифікатні короткотермінові програми, – говорить Кот.

Юлія Байрачна, Харків

Фото В’ячеслава Мадієвського / Укрінформ

Більше фото можна купити тут.