Як біопринтер створює аналоги людських тканин: досвід харківського університету

Кістка чи інша тканина, створена за допомогою біопринтера, — уже не фантастика, а напрям сучасної медицини. У Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна понад рік працює біопринтер, здатний «надрукувати» конструкції, що імітують людські тканини.

У перспективі результати цих досліджень допоможуть відновлювати пошкоджені тканини. Це особливо важливо для людей, які мають наслідки променевої терапії, інші патології або зазнали травм під час війни.

«Вчися.Медіа» відвідало університетську лабораторію і поспілкувалося з Юрієм Котом, завідувачем кафедри біохімії, кандидатом біологічних наук, доцентом, про те:

• як працює біопринтер і що на ньому можна створювати;
• чому університет обрав найсучасніший біопринтер і чим він відрізняється від інших;
• що студенти/ки можуть розробляти власноруч і як їх навчають біопринтингу;
• із ким університет співпрацює в Україні та за кордоном.

У лабораторії біомедичних досліджень «Karazin BioMed» є три кабінети, в один із яких можна заходити лише в одноразовому робочому одязі, щоб убезпечити клітини від зовнішнього впливу. Також лабораторія охоплює п’ять наявних технологій біодруку і дає змогу створювати кісткову, шкіряну та суглобну тканини. Власне, сам біопринтер — це система різних апаратів для моделювання, підготовки, створення й перевірки штучних конструктів.

Процес біопритингу складається з чотирьох основних етапів:

1. дизайн майбутнього тривимірного конструкту в програмі;
2. дослідження й підготовка компонентів для друку;
3. перенесення тривимірної моделі на біопринтер;
4. створення біоконструкту.

Біопринтер друкує так званими біочорнилами — набором живих клітин і позаклітинного матриксу: комплексу молекул поза клітиною, що забезпечує структурну підтримку тканин і регулює клітинні процеси. До біочорнил входять білки й полісахариди.

Набори клітин, які університет купує для біодруку, повинні мати сертифікати та дозволи на використання в клітинній терапії. Якщо йдеться про експерименти на тваринах, науковці можуть вирощувати клітини в лабораторії.

«Знаючи склад природної шкіри або кісткової тканини, ми можемо використовувати окремі компоненти й формувати з них потрібну конструкцію. Головне — розуміти, що саме хочемо створити. Конструкт за своєю структурою і функцією має відповідати природній тканині», — додав Юрій Кот.

Біопринтинг неможливо почати без належної підготовки компонентів в асептичних умовах — для цього в лабораторії є ламінарні та стерильні бокси.

«Тут можна проводити маніпуляції з реагентами, не хвилюючись, що оператор якось на них вплине або вони контактуватимуть із навколишнім середовищем. Усі компоненти залишаються стерильними й захищеними від зовнішнього впливу: сюди не потраплять мікроорганізми чи спори грибів, що можуть зашкодити клітинам», — розповідає Юрій Кот.

Стерильний бокс перебуває під постійним тиском стерильного повітря. Це потрібно, щоб під час відчинення дверей повітря виходило назовні й не давало потрапити повітрю із менш стерильного приміщення. Але навіть цього захисту недостатньо — всередині боксу є додатковий ламінарний бокс.

Для роботи оператор одягає спеціальний захисний костюм: одноразовий комбінезон і повнолицьовий респіратор із позитивним тиском. Респіратор захищає і продукт, і оператора. Наприклад, якщо високоочищений білок розсиплеться й потрапить у дихальні шляхи, це може бути небезпечно, тож повітря, яким дихає оператор, постійно фільтрують.

«Заходи біобезпеки мають захистити продукт від оператора. Людина є генератором великої кількості мікрочастинок — близько 200 000 на хвилину навіть у спокійному стані. Це пил, який ми заносимо з одягом у лабораторію, мікрочастки волосся, верхніх шарів шкіри. Вони потрапляють у повітря й починають циркулювати.

Небезпечні не самі мікрочастки, а мікроорганізми, які вони можуть переносити. У поживному середовищі мікроорганізми розмножуються, виділяють токсичні речовини і сприймають клітини людини, які ми вирощуємо для подальшого біопринтингу, просто як смачну їжу», — пояснює Юрій Кот.

Обслуговування біопринтера за умови щоденної роботи коштує 10–15 тисяч гривень на місяць (з урахуванням реагентів і витратних матеріалів). Науковець додає, що завдяки державним та закордонним грантовим програмам вдається забезпечити студентів/ок усім необхідним для роботи в лабораторії.

Створення конструкту безпосередньо в біопринтері — лише один з етапів досліджень. Далі науковці аналізують, наскільки структура та функції створеного конструкту відповідають природній тканині. Після експериментальних досліджень конструкції можна в перспективі використовувати для відновлення тканин людини.

Щоб перевірити створені конструкти, лабораторія має обладнання для молекулярно-генетичного та біохімічного аналізу. Науковці можуть визначити склад білків і полісахаридів, розділити їх і перевірити, чи відповідають вони нормі для певного типу клітин.

Окремо досліджують структуру конструкцій. Рентгенівський мікроскоп дає змогу перевірити щільність і пористість штучної кістки, а конфокальна мікроскопія — побачити, як клітини поводяться всередині конструкції: чи прикріплюються, розмножуються, переміщуються, чи здатні змінювати її структуру.

«Після того як ми заселили штучну кістку клітинами, вона має поступово змінюватися. Завдання в тому, щоб із часом клітини замінили штучний матеріал на природну тканину. Вони мають проникати в конструкт, розмножуватися й перебудовувати його. Адже матеріали, з яких він складається, в організмі поступово розпадаються та оновлюються», — пояснює Юрій Кот.

Саме за цими процесами науковці можуть спостерігати за допомогою конфокального мікроскопа. На відміну від звичайного, він дає змогу отримувати тривимірне зображення живих клітин і спостерігати за ними протягом кількох днів або навіть тижня.

«Ми можемо побачити, як клітини пацієнта заселяють конструкт: прикріплюються до його поверхні та проникають усередину. Це один із показників того, що конструкція може взаємодіяти з живою тканиною», — розповідає Юрій Кот.

У зразку, який нам показали в лабораторії, клітини успішно взаємодіють із конструктом — прикріплюються до нього та проникають усередину. Це важливий результат для подальших досліджень: якщо клітини не взаємодіють із конструкцією, використовувати її для відновлення тканин немає сенсу.

«Конструкт допомагає організму відновити пошкоджену ділянку. Ми створюємо основу для нової тканини, заселяємо її власними клітинами пацієнта, тож організму не потрібно починати цей процес з нуля, бо частину роботи вже зроблено», — пояснює науковець.

Починаючи з другого курсу, студенти та студентки біологічного напряму долучаються до наукових проєктів університету щодо біопринтингу. Безпосередньо в лабораторії можуть працювати студенти/ки, які пишуть наукові роботи про результати досліджень із біопринтером. Здебільшого це четвертокурсники та магістри, які пройшли спеціальне навчання.

Навчальний курс для студентів і студенток складається з теоретичної дистанційної частини та практичної — безпосередньо в лабораторії. Студентів/ок не одразу долучають до відповідальних завдань. Спочатку вони працюють під наглядом кураторів, опановують правила безпеки та базові навички роботи з лабораторним обладнанням.

На початку третього курсу студент/ка вже розуміє, як працює сучасна лабораторія, і може виконувати окремі експериментальні завдання. Згодом цей досвід стає частиною курсової роботи на четвертому курсі. Якщо студент/ка вступає до магістратури, він / вона може продовжити дослідження в цьому напрямі, розповідає Юрій Кот.

«За рік роботи біопринтера ми написали кандидатські дисертації та магістерські проєкти з цього напряму», — додає науковець.

До лабораторії регулярно приходять на екскурсії школярі та школярки. Для них проводять прості заняття про основи лабораторної роботи. Викладачі/ки також залучають учнів й учениць до досліджень у межах Малої академії наук.

Оскільки біопринтинг тільки розвивається і в освіті, і в медицині, усталених стандартів його викладання поки немає. За словами Юрія Кота, закордонні університети частіше пропонують окремі програми з біопринтингу, а в Україні ця технологія переважно є частиною ширших освітніх програм.

«Наприклад, у Массачусетському технологічному інституті є окремий напрям із біопринтингу, якого студентів навчають майже три роки. У нас поки немає змоги так вузько спеціалізувати програму. Біопринтинг — лише одна з тем великої освітньої програми. Водночас ми маємо насичені лабораторні заняття й досить широко розглядаємо цю технологію», — розповідає Юрій Кот.

Університет отримав прилад у межах співпраці з Міністерством освіти і науки України та Світовим банком за проєктом «Удосконалення вищої освіти України заради результатів». Заклад запропонував створити в себе осередок біопринтингу.

Комплекс апаратів R-GEN200 зібрала та виготовила на замовлення університету швейцарська фірма REGENHU. На це пішло майже пів року. Біопринтер встановили та ввели в експлуатацію у 2025-му, після чого фахівці та фахівчині пройшли навчання. Наразі працювати з апаратом можуть четверо працівників університету.

Правила для біопринтингу в Україні поки не врегульовані окремим законом. У лабораторії орієнтуються на закон «Про застосування трансплантації анатомічних матеріалів людини», який регулює, зокрема, використання клітин у клітинній терапії.

Кінцева мета університету — довести технологію до клінічного застосування. За словами Юрія Кота, це планують зробити у 2028 році. Наразі біопринтинг залишається переважно в експериментальній медицині, бо для ширшого застосування потрібне відповідне нормативне регулювання.

«Нам би дуже допомогло отримання ліцензії на вироби медичного призначення. За чинними правилами її може отримати лише установа, підпорядкована МОЗ, а ми підпорядковані Міністерству освіти і науки. Такого прецеденту ще не було», — зауважує Юрій Кот.

Лабораторія вже стала центром міжфакультетської взаємодії. У ній працюють викладачі/ки та студенти/ки Навчально-наукового інституту хімії та Фізико-технічного інституту.

«У нас є спільний дослідницький проєкт, на який ми отримали грант від Міністерства освіти і науки. Біопринтинг є одним із його напрямів. Разом з нами працюють і студенти, які займаються комп’ютерними технологіями: вони розробляють програму, що допоможе прогнозувати, як конструкт змінюватиметься з часом», — пояснює науковець.

Завдяки програмі вдасться проаналізувати, чи правильно розвивається конструкт, ще до того, як науковці підтвердять це за допомогою лабораторних досліджень.

У межах експериментального проєкту лабораторія університету співпрацює з Інститутом патології хребта і суглобів ім. проф. М. І. Ситенка й Інститутом медичної радіології та онкології ім. С. П. Григор’єва Національної академії медичних наук України. Також лабораторія має договір із військовим шпиталем. Разом науковці досліджують можливості відновлення пошкоджених кісток, шкіри й м’яких тканин, зокрема після променевої терапії та травм.

Серед міжнародних партнерів — Національний інститут охорони здоров’я та медичних досліджень Франції. Закордонні колеги долучаються до розробки нових біоконструкцій, зокрема для стінки сечового міхура та шлунка в межах відновлювальної хірургії, а також читають лекції студенству.

Юрій Кот зазначає, що біотехнології, зокрема біопринтинг, стають дедалі важливішими у світі. Одна з причин — потреба в альтернативних способах відновлення тканин на тлі дефіциту донорських матеріалів.

Колаж та фото «Вчися.Медіа»

Щоб бути в курсі важливих освітніх новин, підписуйтеся на наші сторінки в соцмережах:

• фейсбук, інстаграм, ютуб,
• Х, тредс, вайбер.