Dmitry Fadin, 3D Bioprinting Solutions – o przyszłości bioprintingu i drukowania narządów w kosmosie

Dmitry Fadin, 3D Bioprinting Solutions - o przyszłości bioprintingu i drukowania narządów w kosmosie
3D Bioprinting Solutions jest spółką zależną od INVITRO Holding, rezydenta Skolkovo i jednej z najbardziej znanych firm w dziedzinie bioprintingu na świecie. Dyrektor ds. Rozwoju projektu, Dmitrij Fadin, powiedział Haitke o dostępności bioprodukcji w przyszłości i perspektywach stworzenia fabryki do drukowania narządów w kosmosie.

O rozwoju branży bioprintów

Głównym osiągnięciem bioprogramu jest powstanie przemysłu wokół tej technologii. Kiedy projekt 3D Bioprinting Solutions pojawił się w 2011 roku, pomysł istniał od dawna, ale nie było wokół niego rynku. Teraz jest to duży przemysł, każdy z komponentów ma swoją własną wartość. Bioprinting ma cztery kierunki rozwoju

Biopinding pomaga w testowaniu leków – na trójwymiarowych mikroorganizmach sprawdza się toksyczność Z tego powodu wiele firm zaczęło aktywnie go rozwijać raz, ponieważ reakcja poszczególnych komórek może być bardzo różna od tego, jak zachowują się w przestrzeni trójwymiarowej. To było przyczyną anulowania wprowadzenia wielu leków na ostatnich etapach testowania. Lek zaczął być sprawdzany na ludziach i nagle okazało się, że jest toksyczny. Tak narodziła się idea drukowania tkanek i mikroorganizmów w celu testowania narkotyków

Zdjęcie: Yevgeny Feldman / "HiTech"

Bioprinting jest stosowany w transplantologii, gdy do celów medycznych chory lub brakujący tkanek zastępuje się nowym. Złożoność zadań i sukcesów w tym kierunku zależy w dużej mierze od rodzaju tkaniny, którą chcesz wydrukować. Wady skóry możemy teraz zastąpić: istnieją biopraktory, które pozwalają drukować bezpośrednio na ranę na sali operacyjnej. Możesz więc zamknąć całkiem spore oparzenie. Podczas gdy doświadczenie w stosowaniu bioprogramowania w transplantologii jest niewielkie – wszystkie prace są prowadzone na zwierzętach laboratoryjnych i wymagają pewnego zestawu kompetencji, w tym do hodowli komórek.

Istnieją również eksperymenty związane z drukowaniem bardziej złożonych struktur inżynierii tkankowej – pustych struktur rurowych, na przykład, łodzie. Japońscy naukowcy wydrukowali naczynia o dużej średnicy i pomyślnie przeszczepili zwierzęta laboratoryjne. Z gruczołowymi narządami lub nerkami, co jest celem naszej firmy, jest jeszcze trudniejsze ze względu na złożoność ich anatomicznych struktur

Zdjęcie: Evgeniy Feldman / "HiTech"

Teoretycznie, w przyszłości będziemy w stanie wytwarzać mięso, a nie ma zwierząt w tym samym czasie będzie cierpieć. Jest to trzeci kierunek bioprogramowania – trójwymiarowy bioprinting w przemyśle spożywczym. Na przykład stek został już wydrukowany. Drogie i niezbyt smaczne, ale sam fakt jest ważny

Dobry przypadek – podczas tworzenia inteligentnych ubrań wykorzystano żywe bakterie, które zmieniły swoje właściwości w zależności od temperatury otoczenia. To czwarty kierunek – przemysł włókienniczy. Dla sportowców kombinezony są wykonane w taki sposób, że po osiągnięciu temperatury rozcięcie otwiera się i pozwala ciału oddychać.

To, czym zadrukowany narząd różni się od oryginalnego

Nas w 3D Bioprinting Solutions jest zainteresowany pracą na rzecz transplantologii. Jeśli mówimy o drukowaniu żywych tkanek, teraz pracujemy nad stworzeniem mikroorganizmów lub, jak je nazywamy, narządowymi konstruktami. Różnica między konstruktem gruczołu tarczycy myszy, którą wydrukowaliśmy z oryginalnego organu, polegała na tym, że nie dążyliśmy do kształtu i wielkości natywnego narządu. Ważne było dla nas przywrócenie funkcji tarczycy, która jest określona przez wewnętrzną strukturę narządu, a nie przez jej zewnętrzny kształt

Czytaj także  W "Skolkovo" pojawił się internetowy sklep z usługami w dziedzinie rozwoju nauki

Zdjęcie: Jewgienij Feldman / "HiTech"

Znaczenie bioprogramowania polega na tworzeniu skutecznych narządów, a czasami nie jest pamiętaj, aby dokładnie odtworzyć wszystkie funkcje tkanki. Teraz ważniejsze jest rozwijanie technologii. Oczywiste jest, że lepiej odtworzyć wszystko dokładnie, ale jest to trudne, kosztowne i wymaga dużo czasu na badania. Wydrukowany narząd nigdy nie będzie w 100% identyczny z rodzimym. Najprawdopodobniej dana osoba poczuje się jak zastępstwo dla nerki, ale nie jest jeszcze możliwe dokładne określenie, w jaki sposób się to objawi.

Jeśli konieczne jest odtworzenie tylko kształtu narządu, to do tego jest używana pieczęć medyczna. Są to dwie różne gałęzie przemysłu. Różnica polega na tym, że za pomocą druków medycznych tworzone są przedmioty wykonane z materiałów sztucznych, które nie mają żadnych żywych procesów. Ten rodzaj druku 3D jest szeroko stosowany do drukowania kręgów lub zębów, a kość z tytanu w niektórych przypadkach może być nawet lepsza niż natywna.

O tym, kiedy i po jakiej cenie będą narządy drukować

Istnieje pewne prawdopodobieństwo , że bioprogramowanie opiera się na pewnym nierozwiązywalnym problemie i nie możemy drukować skomplikowanych narządów ludzkich. Ale, jak widzimy dzisiaj rozwój technologii, będziemy mogli drukować skomplikowane narządy dokładnie, tylko wtedy. Początkowo spodziewaliśmy się, że zrobimy to za 30 lat, pozostawiamy trochę więcej niż 20. Oznacza to, że do połowy lat trzydziestych można byłoby użyć drukowanych narządów.

Kiedy zaczynaliśmy, było niewiele takich laboratoriów na świecie, a teraz setki. Tysiące artykułów zostało napisanych, a być może pewne odkrycie znacznie przyspiesza rozwój biopresu. Kiedy wiele firm konkuruje, bardzo przyspiesza proces.

Zdjęcie: Yevgeny Feldman / "HiTech"

Aby zastosować coś na osobę, musimy uzyskać bardzo duże doświadczenie. Nie możemy ryzykować i zranić. Codziennie do mnie na pocztę przychodzi kilka telefonów z prośbą o wydrukowanie tarczycy dla osoby. Ludzie czytają artykuły naukowe i nie rozumieją, że pomiędzy osiągnięciem nauki a wprowadzeniem tego do praktyki klinicznej upływa dużo czasu. Najpierw musimy zrozumieć, jak działa technologia i od czego zależą wyniki, a następnie możesz zacząć sprawdzać, jak bezpieczna jest dla człowieka. A bardziej proste technologie są sprawdzane szybciej, a złożone są dłuższe.

Jeśli mówimy o tym, ile kosztują narządy drukowane, to wszystko jest dość przewidywalne. Wykorzystanie dowolnej technologii jest pierwszą elitarną: niewiele osób, które wiedzą, jak z nią pracować, liczba ofert jest ograniczona. Ale z reguły przez krótki czas technologia jest rozpowszechniana, tańsza i staje się znacznie tańsza.

Transplantologia zawsze będzie kawałkiem, nie jest to coś, co można umieścić w strumieniu, ale stopniowo bio-drukowanie sprawi, że będzie ona dostępna dla wszystkich. Dobrym analogicznym przykładem z medycyny jest sekwencjonowanie pełnego genomu (analiza wszystkich sekwencji DNA, czyli całego genomu Hi-Tech). Pierwsza analiza ludzkiego genomu została odrzucona przez cały świat (wyniki badań opublikowano w 2001 r., Koszt programu wyniósł około 3 miliardy USD – Hi-Tech), a teraz każdy może je wziąć za 300 USD.

Jak bioprogramowanie zmieni medycynę [19659003] Rozwój bioprogramów zmieni się bardzo w medycynie. Na przykład obecnie istnieje duży przemysł hemodializ (metoda oczyszczania krwi nadnerczowej z powodu ostrej i przewlekłej niewydolności nerek – notatka "HiTek"). Dzięki temu, że ratuje życie ludziom, jest to bardzo kosztowne dla państwa i niewygodne dla osoby prowadzącej przez całe życie. Kilka razy w tygodniu pacjent powinien udać się gdzieś, aby oczyścić krew lub nosić specjalną walizkę. Możliwość drukowania narządów, w tym przypadku nerek, pozwoli porzucić tę kosztowną i znaczącą obecnie część infrastruktury medycznej.

Transplantologia radykalnie się zmieni. Teraz ten kierunek medycyny koncentruje się na poszukiwaniu dawcy. A jeśli staną się osobą i narządami druku opartymi na komórkach własnych, to rozwinie ona przemysł i rozwiąże wiele etycznych problemów.

Zdjęcie: Jewgienij Feldman / "HiTech"

Możliwość zastąpienia starych narządów nowymi zmieni całą strukturę tego, co, jak i co osoba będzie chora. Dlaczego teraz tak wielu ludzi umiera z powodu chorób układu krążenia i onkologii? Chodzi o to, że źle się nie traktują lub coś znacznie się pogorszyło w środowisku. Po prostu ludzie zaczęli żyć dłużej. Wcześniej zmarł w wieku 30-40 lat, a problem choroby Alzheimera bardzo martwił się.

W sprawie najbardziej ambitnych zadań w dziedzinie bioprintingu dzisiaj

Metody bioprintingu ewoluują. Z drukowania addytywnego (warstwowego) przechodzimy do formowania, które przypomina bardziej tworzenie śniegu. Podczas drukowania z pojedynczymi komórkami trudniej jest osiągnąć wysoką gęstość, co jest konieczne do drukowania żywych tkanek.

Komórki są raczej społeczną substancją, komunikują się ze sobą iw tym celu odległość między nimi musi być gęsta. Jeśli odległość między komórkami jest duża, to nie ma systemu sygnalizacji, który pozwoliłby im się komunikować, a następnie zbiorowość się nie zwija, tkanka nie działa. Dlatego najpierw formujemy małą i dość gęstą kulę, która składa się z kilku tysięcy komórek. To już sama mikro-tkanka z punktu widzenia organizacji wewnętrznej, a tak naprawdę jest "cegiełką" w bioprogramowaniu, tylko w rundzie. Następnie układamy te "cegły" starannie z hydrożelami i tworzymy żywą tkankę

Zdjęcie: Jewgienij Feldman / "HiTech"

Aby z powodzeniem zastosować metodę drukowania formatywnego, uczymy się korzystać z technologii druku magnetycznego i akustycznego. Ich zasada jest następująca: pod wpływem określonych sił komórki otrzymują pewien rodzaj trajektorii i łączą się ze strukturami komórkowymi opisanymi powyżej. Umożliwia to nie tylko układanie komórek o określonej gęstości, ale także tworzenie tkanki kilka razy szybciej niż przy druku warstwowym. Opracowanie tej metody powinno pozwolić nam na wydrukowanie znacznie bardziej złożonej struktury narządu z punktu widzenia anatomii.

Nie można dokładnie powiedzieć, które funkcje te technologie zostaną otwarte, wciąż chodzi o eksperymenty naukowe. Zakładamy jednak, że pozwoli to zbliżyć się do zamierzonego rezultatu – drukowania funkcjonalnych narządów ludzkich. Powiedziałbym, że rozwój tych technologii jest jednym z najbardziej ambitnych zadań związanych z bioprintingiem.

O stworzeniu fabryki do drukowania narządów w kosmosie

Aby umożliwić szybki montaż komórek w trójwymiarowe struktury, chcemy spróbować zrobić to w zerowej grawitacji. W eksperymentach z technologią druku magnetycznego i akustycznego jesteśmy nieco ograniczeni grawitacją. Dlatego w czwartym kwartale 2018 roku planujemy wysłać magnetyczny bioprinter do ISS i kontynuować tam eksperymenty. To jest nasz wspólny projekt z Roskosmosem

Podobny eksperyment można przeprowadzić na Ziemi – aby stworzyć warunki nieważkości w sztuczny sposób za pomocą super magnesu, ale jest to bardzo kosztowne. Otrzymaliśmy specjalną dotację na ten eksperyment, ale pomimo tego, że ilość jest dość duża, wystarczy na 40 godzin pracy sprzętu. Aby utrzymać komórki w stanie nieważkości, marnuje się dużo energii elektrycznej. Na orbicie takie warunki można uzyskać bezpłatnie. Musimy tylko latać, a my zyskujemy nieważkość jako prezent.

Zdjęcie: Jewgienij Feldman / "HiTech"

Jeśli w ten sposób dowiemy się, jak zrobić realną tkaninę, to może to być wystarczającą podstawą do stworzenia fabryki do drukowania narządów w przestrzeni kosmicznej. Na przykład może to być dział ISS, który drukuje narządy i warunkowo wysyła je na Ziemię przez pojemniki.

W tym eksperymencie zależymy od cyklu, kiedy kosmonauci polecą do ISS i wracają z powrotem. Dlatego potrwa tylko kilka tygodni. Następnie wyniki eksperymentu zostaną dostarczone na Ziemię, będziemy je badać i będziemy mogli powiedzieć, co się stało. Ale na linii eksperymentów to dopiero początek – bioprinter pozostanie standardowym wyposażeniem ISS, aw przyszłości nie tylko my, ale także inni naukowcy i firmy będziemy w stanie z nim pracować.

Znaczenie dużych planów naukowych

Pierwotny cel, który wyznaczyliśmy przed naszym projektem, – wydrukować funkcjonalną i żywotną nerkę. Kiedy wymyśliliśmy ten projekt, zrozumieliśmy, że jest to droga 30 lat, ale projekt nie może żyć bez osiągnięć przez tak długi czas – jest trudny psychicznie, ludzie nie wytrzymają i uciekają. Dlatego musisz przejść w małych krokach od jednego sukcesu naukowego do drugiego i użyć wyników, które już otrzymałeś. Ale ważne jest, aby nie być zbytnio rozpraszanym przez spin-offy, aby nie stracić z oczu głównego celu.

Teraz pracujemy nad drukowaniem włosów do transplantacji. Zabieramy osobę z jednej komórki i wycinamy z niej cały rdzenny włos. A drukowanie włosów jest już możliwe – trudność polega na tym, jak się rozwinie. Z prawdopodobieństwem 50% – nie na zewnątrz, ale w środku. To jest szalenie nieprzyjemne. I uczymy się kierować nim we właściwym kierunku, tak, aby rosło w prawo i można było je czesać. Jest to dość trudny problem.

Zdjęcie: Jewgienij Feldman / "HiTech"

Ważne jest, aby być zaangażowanym w projekty o długim horyzoncie planowania, ostatecznie zmienić niektóre podstawowe struktury swojej branży. Nawet jeśli ostatecznie nie wygrasz wyścigu, zyskasz wystarczającą liczbę kompetencji, aby odnosić większe sukcesy w zwykłym biznesie niż koledzy, których horyzont planowania był mniejszy. Pod wieloma względami korporacje są zaangażowane w takie długoterminowe projekty. Chodzi tutaj nie tylko o pragnienie uszczęśliwienia ludzkości, ale o osiągnięcie trudniejszych celów.

Tworzenie programów o horyzoncie planowania wynoszącym 20-30 lat w dziedzinie biotechnologii i kontynuowanie ich wdrażania jest bardzo ważne dla Rosji. Moim zdaniem brak tego jest jednym z głównych problemów rozwoju biotechnologii w naszym kraju. Prowadzi to do tego, że priorytety są określane chaotycznie. Kiedy państwo planuje rozwijać technologię na okres od pięciu do dziesięciu lat, często niemożliwe jest zrozumienie tego, co jest naprawdę ważne, a co nie.

Powiązane wiadomości