Напечатать кожу человека на 3D-биопринтере и вылечить с её помощью ожоги — это не сюжет фантастического фильма и даже не технология будущего. Это новый, пока экспериментальный метод лечения ожогов в современной амурской, да и во всей российской медицине. Её автор — 26-летний аспирант Амурской государственной медицинской академии Антон Яценко. Уже в этом году молодой учёный собирается приступить к клиническим испытаниям на реальных пациентах ожогового отделения Амурской областной больницы, информирует «Тихоокеанская Россия», ТоРосс.

Журналисты «Амурской правды» побывали в уникальной лаборатории клеточных культур и узнали, чем напечатанная кожа отличается от настоящей, насколько эффективно она будет приживаться на ранах и что представляет собой принтер и «чернила» для создания человеческой «кожи».

«Уже в школе знал, что хочу заниматься наукой»

Руководитель лаборатории клеточных технологий и автор проекта по созданию прототипа человеческой кожи Антон Яценко приехал учиться в Амурскую государственную медицинскую академию (АГМА) из Башкортостана. Окончил медицинский вуз в 2016 году, ещё через два года — ординатуру по специальности «врач-патологоанатом».

— Я уже в школе знал, что хочу заниматься наукой — именно биологической. Поэтому и специальность у меня такая — больше фундаментальная, чем клиническая, — говорит аспирант АГМА.

Идея научного проекта, связанного с воссозданием кожи человека, появилась, когда Антон был ещё третьекурсником.

— У нас в академии есть Молодёжный инновационный центр. Мы когда-то его организовали с несколькими ребятами, один из них — Владимир Кушнарёв. Он сейчас научный директор нашей компании «Ай Кью Биофабрик» (IQ Biofabric), в которую входит лаборатория клеточных технологий. Мы занимались наукой, и нас всегда интересовала именно регенеративная медицина. Но тогда у нас не было возможности — лаборатории, чтобы что-то делать, — рассказывает Антон Яценко.

Лечение ожогов — одна из самых серьёзных проблем в современной медицине. Поэтому именно в этом направлении молодые учёные решили развивать свой проект.

— Существующие методы, к сожалению, имеют ряд больших недостатков. И золотым стандартном в лечении ожогов всё равно остаётся пересадка кожи самого пациента со здорового места на ожоговое. Это не совсем хорошо, потому что мы получаем второй дефект на том месте, где срезали кожу. В некоторых случаях, если площадь ожога изначально большая, пересадочный материал просто негде уже срезать. Кожа других людей может не подойти для этого. Есть ещё ряд этических проблем, — объясняет выбор направления научной работы Антон Яценко. — Мы заинтересовались этим. Владимир тоже патологоанатом по образованию. Решили изучить, как эту проблему можно решить и как её решают в мире.

Учёные всего мира ищут замену пересадке кожи

Старейшим методом лечения глубоких ожогов является пересадка собственной кожи со здорового участка на повреждённый. Он появился примерно в 60-70-е годы XX века. Метод имел и до сих пор имеет свои недостатки, поэтому учёные в разные годы искали новые, более совершенные способы лечения. Так, в 80-е появилась идея выделить клетки кожи у пациента и поселить их поверх ожоговых ран.

— Брали биопсию — кусочек кожи у пациента, выделяли клетки, размножали их, изготавливали суспензию и затем в виде спрея помещали на ожоговый дефект. Но это оказалось неэффективно. Клетки умирали. Ведь ожоговая рана — это отрицательная среда для них: там и воспалительные процессы, и часто раны инфицированы, — объясняет Антон Яценко. — К тому же ожоги бывают разных степеней, при четвёртой, самой тяжёлой, пересадка клеток бесполезна.
В 90-е ученые пришли к мысли, что клеткам надо как-то помочь выжить в агрессивных условиях ожоговой раны.
«Решили, что таким вспомогательным элементом может стать какой-нибудь полимер, например, коллаген — основной белок в нашем организме. На него стали наносить клетки, и весь этот, скажем, бутерброд с клетками и коллагеном помещали на рану. Результаты стали немного лучше», — продолжает Антон Яценко.

Однако проблема была в том, что монолитный кусок коллагена с живыми клетками кожи мало чем напоминал настоящую кожу. В организме соединительные ткани коллаген создаёт большое количество пор и каналов. Клетки живут в этом объёмном пространстве.

— И вот примерно с этого момента — с десятых годов этого века и по нынешний день — учёные всего мира пытаются создать оптимальную 3D-структуру, в которой клетки могли бы жить. Если смотреть на российский опыт, то основное учреждение, которое занимается экспериментальным лечением ожогов — это Институт цитологии Российской Академии наук в Санкт-Петербурге. Они прошли все эти этапы, начиная просто с выделения клеток, заканчивая их помещением на коллаген. Сейчас они движутся с нами в одном направлении, только отличается технология создания 3D-скаффолда (поддерживающей структуры для клеток. — Прим. АП.), потому что у них нет биопринтера.

«Кожу» создаст биопринтер

3D-биопринтер, который будет печатать «кожу» человека, разрабатывают и собирают уже около года по индивидуальному заказу.

— Пока он в Новосибирске. Его созданием занимаются инженеры нашей совместной компании «Ай Кью Биофабрик», которая стала резидентом Сколково. Сейчас мы на этапе отладки. Новосибирские специалисты для нас печатают фрагменты, присылают нам, мы проверяем, даём обратную связь и корректируем, — объяснил Антон Яценко сложности создания прибора. — Но уже скоро биопринтер доставят к нам.

Внешне он мало чем отличается от 3D-принтера, печатающего пластиком. Отличие лишь в том, что у биопринтера есть специальный резервуар для «живых» чернил.
«В нём поддерживается определённая температура и газовый состав, потому что в состав «чернил» войдут клетки кожи. Кожа, которую мы станем печатать, будет полностью соответствовать кожи реципиента», — говорит учёный.

Когда этап грубой отладки принтера завершится, его доставят в Благовещенск. По планам это произойдёт уже нынешней весной.
«Мы разрабатываем план доставки и работ», — добавил Антон.

В лаборатории клеточных культур для прибора уже подготовлено место. Он будет стоять в шкафу, в котором поддерживается максимальная стерильность. Стоимость первого биопринтера кожи оценивается почти в 10 миллионов рублей.

На стыке физики и химии

— Отличие нашей работы в способе воссоздания 3D-структуры. В основе лежат две основные технологии. Первая — 3D-биопечать. Её видов очень много, как существует много видов принтера — даже тех, что используются в полиграфии. Также есть много видов биопечати. Мы пытаемся комбинировать их, потому что у каждой технологии есть определённые недостатки. Это как провести аналогию между лазерной и струйной печатью — струйная более точная, лазерная — быстрее.
Вторая технология позволяет нам моделировать заданную 3D-структуру без использования каких-либо технических устройств. В основе лежит то, что химические вещества, тот же желатин, обладают физико-химическими свойствами, если их смешать с другим веществом. Самый простой пример: если застывший желатин нагреть, он растопится. Нам желатин для создания скаффолда не подходит — он растопится, как только мы поместим его на кожу человека. Однако мы можем его «сшить» с помощью различных веществ. По факту мы получим твёрдую структуру, которая не расплавится при повышении температуры.
Мы сделали акцент именно на связи этих двух методов — с использованием технических средств и физико-химических свойств различных веществ и их взаимодействий.

«Чернила» для биопринтера

— «Чернилами» для нашего 3D-биопринтера являются сам желатин в определённой процентовке и химические вещества, необходимые для стабилизации его структуры и уменьшения стресса, который получит клетка, когда мы их совместим.
Сейчас мы проводим исследования на лабораторных животных — на крысах. С человеческой кожей мы пока не работаем: с одной стороны, есть определённые законодательные препятствия, с другой — этические.
У животных в состоянии наркоза вырезаем кусочек кожи меньше квадратного сантиметра. Крыса остаётся живой, кожа у неё восстанавливается. Мы доставляем материал в лабораторию, выделяем клетки, размножаем их вне организма. Потом мы можем использовать их для того, чтобы заселить их обратно — на рану, или для научных целей. Например, чтобы посмотреть, как наши биочернила контактируют с живыми клетками. Это тоже очень важный момент.
После того как мы подобрали состав для биочернил, мы провели исследования, как организм лабораторных животных реагирует на желатин. Ведь это же в каком-то отношении чужеродный материал — он взят не у этой же крысы. Мы провели исследования, чтобы удостовериться, что нет иммунного ответа — отторжения. Сейчас активно занимаемся тем, что моделируем ожоговую травму у животных и пытаемся их вылечить.
Результаты хорошие. Я как раз пишу кандидатскую диссертацию на тему экспериментального лечения ожогов. Исследование продолжается. Мы проводим большое количество операций, попыток с различными модификациями, потому что нам в идеале надо найти оптимальные пропорции биологических чернил и клеток, которые позволят нам получить значимые результаты по сравнению со стандартными методами терапии.
Отторжения искусственной кожи в принципе нет. Здесь важный момент, что мы используем клетки самого животного, они полностью идентичны его организму. А желатин — это продукт распада коллагена, а он одинаков у разных видов животных. То есть он в принципе не может вызывать иммунные отторжения.

Полторы недели на печать

— Кожа очень сложный орган, хотя многие даже за орган её не считают. Она состоит из нескольких слоёв. Мы моделируем один из двух слоев, самый важный — дерму. Есть ещё верхний слой — эпидермис. Но мы не стали полностью моделировать кожу и трогать этот слой. Ведь известно, что в нашем организме, после того как закрылся первичный дефект, эпидермис спокойно мигрирует с краёв раны вместе с кровотоком. Здесь нет смысла усложнять, если мы говорим про первичное лечение ожоговой травмы. По факту наша напечатанная на биопринтере «кожа» по структуре очень похожа на дерму.
Чтобы напечатать десять квадратных сантиметров «кожи», нам понадобится в среднем около полутора недель. Мы это просчитали теоретически. Причём именно скаффолд — трёхмерную подложку из желатина — мы можем изготовить быстро, в течение суток. Время требуется для выделения клеток и наращивания их массы.
У крыс всё очень быстро происходит, их клетки обладают высокой способностью делиться. У человека, особенно если мы говорим про взрослых, эта способность снижена. За счёт этого получается удалённый срок. Но на самом деле это не проблема. Первые дни после ожога терапия направлена на исключение острых состояний. Всё-таки ожоговая рана — это входные ворота для инфекции, и через неё теряется много плазмы с электролитами. Это очень плохо для человека, это, собственно, основная причина гибели пациентов. И здесь главное — закрыть рану, и только потом можно перейти к восстанавливающему лечению. То есть по срокам мы укладываемся.
Есть технологии, заставляющие клетки делиться быстрее. Мы будем это тоже пробовать и смотреть, к чему это приведёт. За рубежом подобная работа ведётся, а в России мы не можем положиться ни на чей опыт — воспроизводимость исследований низкая.

Экспериментальное лечение людей начнётся в этом году

— Часто ожоги приводят к рубцовым изменениям. Отсроченные последствия — это одна из точек контроля, которые мы используем в экспериментах. Ведь шрамы — это не только косметический дефект, но и функциональный. Из-за натяжения кожи может быть снижена амплитуда движения в суставах. Несколько месяцев после моделирования ожоговой травмы мы пытаемся добиться того, чтобы таких последствий не было.
Тут стоит вспомнить, какие бывают степени ожогов: в российской классификации их четыре, в зарубежной — пять (третья делится ещё на две). Мы работаем с третьей степенью, которая находится, с одной стороны, рядом с поверхностными ожогами, которые получали почти все, когда проливали на себя горячую воду или слишком долго находились на солнце, и с другой стороны — глубокими, где консервативная терапия имеет низкую эффективность и требуется уже оперативное вмешательство. Мы пытаемся затронуть середину, когда используют местные средства, но при этом лечение всё равно растягивается на много недель.
В наших испытаниях на животных мы не видим рубцовых изменений. Однако к этому мы ещё вернёмся, когда начнём экспериментальное лечение людей.
Сейчас у крыс мы работаем с ожогами примерно десяти процентов тела. Если экстраполировать на человека, то это примерно одна конечность, то есть достаточно большой участок.
Мы активно ведём обсуждение с ожоговым центром Амурской областной больницы, чтобы не работать вслепую, а всё-таки понимать клинические нужды. Они очень заинтересованы в этой работе, поскольку эффективных средств в комбустиологии (в лечении ожогов) очень мало. Во время клинической апробации моей кандидатской мы попробуем выйти на людей, которые смогут получать одновременно и стандартное лечение, и параллельно с ним наше.
Клинические исследования на пациентах мы планируем начать уже в этом году, летом или осенью. Сейчас мы работаем с этическим комитетом. Такой комитет есть в медицинской академии и в областной больнице. Я, как инициатор эксперимента, предоставляю всю документацию, отчётность по исследованию на животных, и комитет решает, можно ли проводить эксперимент на людях.
В среднем лечение ожога третьей степени, когда дерма получает достаточно серьезные повреждения, займёт три-четыре недели — от момента попадания человека в больницу до его выписки в удовлетворительном состоянии.

На регистрацию нового метода понадобятся годы

— Сейчас в России установлен большой барьер для нашей работы — в 2016 году приняли Федеральный закон номер сто восемьдесят «О биомедицинских клеточных продуктах». Он должен регулировать продукты, которые содержат живые клетки — по аналогии с лекарственными препаратами. Это хорошая попытка создать правовое поле для этой области, но, например, из-за этого закона всё, что на протяжении тридцати лет делал Институт цитологии РАН, обнулилось. Теперь институт заново получает лицензии на все свои технологии и продукты.
Курьезность ситуации в том, что пока даже нет органов, которые будут это всё регулировать и лицензировать. Поэтому все эти клеточные продукты на несколько лет в России будут экспериментальными, например, в рамках чьей-нибудь кандидатской диссертации. Полноценных исследований во всей России именно в этой области у нас пока не будет.
В стране еще нет ни одного прецедента регистрации клеточного продукта, по крайней мере я об этом не знаю. Сколько это будет занимать лет, ответить очень сложно. Если проводить аналогию с лекарствами, а скорее всего регуляция будет даже ещё строже, то один препарат регистрируется у нас около четырёх-пяти лет.
Мы постараемся быть первыми. Сейчас мы собираем документы — это большая бюрократическая работа. Но мы не знаем, кому их отправлять, хотя не раз посещали тематические конференции.

Искусственная кожа поможет косметологии и онкологии

«Кожу», напечатанную на биопринтере, смогут использовать не только для лечения термических травм — ожогов или обморожений. Пользу достижение амурского аспиранта принесёт в косметологии и пластической хирургии.

— Сейчас во всем мире запрещены исследования на животных, поэтому все косметологические компании вынуждены обратить внимание на рынок клеточных продуктов. Наша «кожа» может стать моделью для проведения исследований новых косметических препаратов, — рассказывает автор проекта. — Можно использовать в хирургии. Например, при онкологии, когда требуется пластика молочной железы и нужно откуда-то взять материал для её проведения. Опять же этот материал возможно взять не у каждой пациентки.

Новые технологии помогут и в лечении онкологии. Ведь второе направление работы лаборатории клеточных технологий — создание персонализированных опухолей.

— Та «кожа», которую мы создаём, может стать моделью того, как опухолевые клетки, та же меланома, взаимодействуют с дермой. Мы можем увидеть, каким путём происходит её проникновение внутрь, и узнать, почему происходит метастазирование опухолей. Например, меланома имеет очень высокий метастатический потенциал, часто метастазы появляются до того, как человек выявил, что у него рак. Это очень серьёзная проблема в онкологии. Поэтому искусственную кожу можно использоваться как фундаментальную модель, чтобы узнать, как опухоль действует в коже человека.

МНЕНИЕ

Андрей Брегадзе, заведующий ожоговым отделением Амурской областной клинической больницы:
— Новые методы лечения — это всегда хорошо. Поэтому, если лаборатории клеточных технологий удастся преодолеть все юридические сложности и начать клинические испытания у нас в больнице, мы только за. Что касается развития комбустиологии, то сегодня прорыв в этой области возможен только за счёт клеточных технологий. Это как раз то, чем занимается Антон Яценко. Однако назвать их продукт искусственной кожей, наверное, нельзя. При тяжёлых ожогах всё равно собственный кожный покров ничем не заменить, нужна пересадка собственных тканей. Как биологическое временное покрытие новый метод стоит применять. А именно протезировать собственную кожу пока никто и ничто не может.

Лаборатория, где печатают «кожу»

— Чтобы попасть в лабораторию, нужно полностью снять с себя всю одежду и переодеться в хирургическую робу. Там мы работаем в условиях полной стерильности, — встретил нас на пороге руководитель лаборатории клеточных технологий Антон Яценко.

За стеклянной дверью коридор, по обе стороны которого за другими стеклянными дверями несколько лабораторий и вспомогательных помещений. Чтобы пройти даже в этот коридор и посмотреть на работу лаборатории со стороны, нужно как минимум облачиться в медицинский халат и маску.

— Это помещение приёма биологического материала, — начал ознакомительную экскурсию Антон, как только корреспонденты «Амурской правды» надели халаты и маски и прошли за главную дверь. — Любой материал, будь то кровь или ткани, сначала попадает сюда. Здесь мы материал анализируем и передаём в следующее помещение.

Основное направление всей лаборатории — тканевая инженерия, другими словами — воссоздание ткани. Вся её работа поделена на два больших направления.

— Первое связано с созданием «кожи». «Кожи» мы всё-таки говорим в кавычках, потому что это всё-таки не полноценная человеческая кожа. А второе наше направление — создание персонализированных опухолей. Если проще: например, у больного есть опухоль, ему нужно лечение, — начал объяснять молодой учёный, увидев удивление журналистов. — Сейчас это происходит стандартным образом — по клиническим рекомендациям: есть конкретная опухоль — есть конкретное лечение. Но опухоли очень разнообразны. Стандартное лечение может просто не подействовать для больного. И мы это узнаем только после того, как дадим препарат, какое-то время полечим. Увидим, что нет никакого ответа, и будем лечить другим препаратом. А можно взять биопсию у пациента или послеоперационный материал, выделить оттуда опухолевые клетки, вырастить их и уже в чашках сначала проверить, будут ли работать препараты.
Мы не стали полностью моделировать кожу и трогать верхний слой — эпидермис. После того, как закрылся первичный дефект, эпидермис спокойно мигрирует с краев раны и вместе с кровотоком.

Мы прошли мимо помещения сортировки, затем криохранилища — комнаты с холодильниками. Некоторые на вид ничем не отличаются от обычных кухонных. «Здесь в жидком азоте хранятся биологические образцы и химические реагенты. У нас стоят холодильники на минус восемьдесят градусов, с жидким азотом и общелабораторные», — перечислил Антон.

— А это основная лаборатория — клеточных культур, — Антон Яценко подвёл нас к стеклянной двери с желтой наклейкой «Осторожно! Биологическая опасность». — Здесь мы выделяем клетки и культивируем их. Это происходит в том дальнем прямоугольном шкафу. В нём поддерживается определённая температура и концентрация атмосферных газов. Там стоит микроскоп, мы анализируем клетки, смотрим, живые ли они. В работе используем различные молекулярные методы анализа. В этом нам помогают два помещения, связанных между собой, — лаборатория ПЦР. Это всем известная полимеразная цепная реакция. Этот анализ делается во всех лабораториях нашего города. Только там определяют инфекции, а у нас есть возможность изучить генетические мутации в опухолевых клетках.

Здесь, в лаборатории ПЦР, стоит система для разделения белков. В работе помогает обычная микроволновка. Бытовой прибор служит сугубо научной цели.
«Чтобы разделить белки, нужно приготовить гель. Белок, как желатин, и нужно, чтобы он стал гелеобразным. Микроволновка используется для нагрева геля, чтобы быстрее его растопить. Это самый простой и быстрый способ», — объясняет приспособление учёный.

Самый главный прибор в лаборатории ПЦР — проточный цитометр.
«Он позволяет какой-то образец, к примеру кровь, пропускать по одной клеточке через лазеры и анализировать, что с клетками не так. Его в том числе используют для диагностики лейкозов», — показывает дорогое оборудование учёный.

Дальше за лабораторией ПЦР моечная, весовая с точными аналитическими весами и склад химических реактивов.

— Вот в общем-то и всё, — закончил экскурсию по лаборатории ее руководитель.

Лаборатория клеточных культур, созданная в одном из корпусов Амурской медакадемии, — совместное детище вуза и частного инвестора. Она начала работу в 2017 году. До этого понадобилось около полутора лет, чтобы её построить и оснастить современным оборудованием, стоимость которого оценивается в 45—50 миллионов рублей.

— Здесь раньше был магазин автомобильных деталей. Вы, наверное, помните. Полная разруха, ужас просто, — говорит Антон Яценко. — А теперь здесь всё новое, начиная с коммуникаций. Долго делали вентиляцию — она позволяет создать в каждом помещении лаборатории отдельное давление. И вот уже около полутора лет мы здесь работаем.
Источник: «Амурская правда»