5 мин
6 мая 2019 г.

«Вместо такого сердца можно было напечатать Чебурашку»

Почему первое в мире сердце из 3D-принтера не работает?
Автор: Андрей Бычков

Группа из университета Тель-Авива под руководством Таля Двира (Tal Dvir) напечатали модель сердца на 3D-принтере из клеток сердечной ткани. Результаты были опубликованы в журнале Advanced Science и всколыхнули научные СМИ.

Из этой новости многие сделали вывод: в ближайшее время мы сможем печатать любые органы человеческого тела и легко заменять ими свои органы, истершиеся и забитые разным мусором. «Лаба» решила проверить, так ли это.

Наш научный журналист Андрей Бычков обсудил искусственное сердце и связанные с ним технологии с Игорем Ефимовым, профессором биомедицинской инженерии, клеточной биологии и физиологии, радиологии в Вашингтонском университете Сент-Луиса (штат Миссури). Ефимов – один из крупнейших в мире специалистов в области технологий, связанных с сердцем.

Laba.Media (L.M): Насколько эта работа новая и прорывная? И на каком сейчас этапе мы, – то есть человечество, – находимся в производстве искусственных сердец?

Игорь Ефимов (ИЕ): Начну с последнего вопроса. Ни на каком. Про искусственное сердце еще, я думаю, лет 30 можно будет не сильно думать. Я имею ввиду именно в клиническом смысле. Мы еще слишком далеко от этого находимся (от производства искусственных сердец из человеческих тканей. – Laba.Media). Мы даже не понимаем пока еще даже сложности этой проблемы, не приблизились к этому. 

Та работа, о которой вы спросили — это новое. Это замечательная наука, это классная статья, это прекрасная группа. Я знаю этого молодого профессора, Таль Двир очень способный парень, ассистент-профессор. Он также один из самых динамичных в использовании новых методов. Но тем не менее, эта статья на уровне статей еще двух-трех других групп, которые этим занимаются в мире. 

ИГОРЬ ЕФИМОВ. Почетный член Американской ассоциации сердца и Общества сердечного ритма, Американского института медицинского и биологического инжиниринга, заведующий лабораторией физиологии человека МФТИ, декан факультета биомедицинского инжиниринга в Университете Джорджа Вашингтона в США, автор более 200 научных публикаций.

Есть группа, например, Волфрама Циммермана (Wolfram H Zimmermann) из Геттингенского университета в Германии. Есть группа Гордана Вуняка-Новаковича (Vunjak‐Novakovic) из Колумбийского университета Нью-Йорка. Есть группа Милицы Радисич (Milica Radisic) из Торонто. Это лидирующие группы в этом направлении, которые делают то же самое, что делает Таль Двир, только с несколько разных углов.

Могу провести аналогию, если поставить перед вами или передо мной задачу, «как сделать автомобиль» с нуля. При этом ни вы, ни я не обладаем экспертизой в этой области. Я думаю, лучшее, что Вы и я могли бы сделать — это взять лего, и из него сделать автомобиль. Понятно, что такая машина работать не будет, она даже не совсем как автомобиль будет выглядеть. Но это примерно автомобиль. Процесс, который описывает статья в Advanced Science, — то же самое. 

Из «лего», грубо говоря, сделали что-то похожее на сердце. Но это на самом деле очень грубая модель. К сожалению, к сердцу она имеет очень отдаленное отношение. 

Группа Таля Двира взяла несколько элементов сердца, это, естественно, сердечные клетки. Много групп уже умеют делать сердечные клетки из клеток кожи человека, клеток крови. Можно перепрограммировать клетки, сделать сердечные миоциты и, более того, сделать сердечные миоциты двух типов. Либо миоциты предсердий – это верхних камер сердца, либо миоциты желудочков – нижних камер сердца. Это научились уже делать многие. Там нужно всего добавить один фактор, – ретиноидную кислоту, и он разделяет миоциты на предсердные и желудочковые.

Вторая вещь, которую сделал Двир — «кровеносные сосуды» (именно в кавычках). Там всего 2-3 сосуда, как можно увидеть на картинке в этой статье. Это совершенно не функционально, это просто, еще раз говорю, модель из «лего». В статье, кстати, нет данных, насколько я помню, о том, чтобы что-то куда-то вживлялось. 

То есть напечатали из клеток что-то в форме сердца. А можно было напечатать в форме руки. Можно было еще напечатать волка из «Ну, погоди!» или Чебурашку. 

Журналистам такое нравится. Но к науке, увы, пока мало имеет отношение.

L.M: Напечатанное сердце, по-моему, еще и слишком маленькое. То есть габариты сердца человека не были выдержаны.

ИЕ: Да. Но это я бы не стал считать основной проблемой, потому что, естественно, сначала должны проводиться опыты на маленьких животных. Первое сердце будет маленькое, мы его вживим, наверное, в мышь или крысу, посмотрим, как работает. 

Кстати, в предыдущей своей статье, а я ее очень хорошо знаю, потому что я ее рецензировал, Таль Двир как раз так и сделал: он напечатал двумерные слои сердечных клеток, и в каждом слое была оставлена бороздка такая, на которой потом будет сделан сосуд. Дальше он напечатал много-много таких слоев, и сложил их как блины стопочкой, а потом повернул так, чтобы вращались волокна внутри сердца. Потому что это соответствует реальной архитектуре нашего сердца. 

В нашем сердце, в стенке желудочка, клетки поворачиваются. Когда сердце сокращается, оно закручивается. Можно привести такую аналогию: если у вас есть мокрая тряпка, как вы от воды избавитесь? Вы ее закручиваете.

L.M: Да-да, закручиваем и выжимаем.

ИЕ: Да, вот как раз этот механизм работает в сердце. Он таким образом выдавливает больше крови при каждом сердцебиении. 

Итак, Таль Двир создал много-много слоев. Получилось, по-моему, 1 см в толщину. Потом он прицепил эту ткань к артерии в животе у крысы или мыши и показал, что это якобы работает.

Показал очень краткосрочно. Но, тем не менее, это было очень интересно. Сейчас Двир сделал еще один шаг: показал, что вы можете напечатать что-то в виде сердца.

Но вы правильно подметили – размер, потому что он тоже важен. Если взять, например, маленькую рыбку гуппи, то у нее сердце настолько тонкое, что ей практически не нужны кровеносные сосуды. Если сердечная мышца меньше или около 300 микрон (микрон - миллионная доля метра. Laba.Media), тогда кровеносные сосуды не нужны. Кислород и питательные вещества, могут свободно проникать в такое сердце через слои клеток.

L.M: Логично, потому что толщина не очень большая.

ИЕ: 300 микрон — это как раз тот самый предел, через который можно пройти. Поэтому если у вас сердечная мышца больше 300 микрон, вам обязательно нужны сосуды. Это было подмечено в рыбах. Например, есть виды рыб, у которых женская особь меньше мужской. И у женской особи нет кровеносных сосудов, а у мужской – есть. Это просто потому, что у них толще миокард. Если посмотреть под микроскопом сердце человека, капилляры, которые пронизывают нашу сердечную ткань, расположены примерно через 300 микрон.

Как и нейроны, кстати. Нейроны тоже расположены через 300 микрон. И эта архитектура для нас очень важна. Если вы нарушите архитектуру, если вы сделаете слои через 400 или 500 микрон, сердце умрет, оно не будет работать. Вы не сможете доставить кислород, не сможете доставить жиры, углеводы. Это критически важная вещь! Диффузионная константа сердечной мышцы. Да и других мышц тоже. 

Поэтому пока мы не научимся эту архитектуру понимать и воспроизводить, это все детский лепет. Не получится сделать искусственное сердце.

L.M: Как вы думаете, что эти ученые будут делать дальше? Может быть, уже были заявления о будущих исследованиях, – на конференциях, например?

ИЕ: Это в общем-то довольно много вещей. Первое – это понять архитектуру сердечной ткани и потом ее воспроизвести. К сожалению, пока ничего особо реалистичного я не видел. То есть все ученые, которые работают на этом направлении, в том числе тот же Вольфрам Циммерман, делают «заплатку». Она довольная большая, но плоская, ее приделывают снаружи сердца. 

Но это все равно наивно, потому что, как я уже объяснил, нужны сосуды через каждые 300 микрон. Кроме того, нужны нейроны, а их пока никто не делает, об этом даже речи не идет. О создании нейронов много говорят, но практических работ реально нет.

Потом еще нужно думать о других видах клеток. Их очень много, некоторые из них мы еще даже не понимаем. Это как раз следующий шаг – определить, какие клетки критически важны, как они организованы в трехмерную структуру, и как их можно в самом деле вырастить. 

Я не думаю, кстати, что это будет трехмерная печать. Потому что когда сердце развивается при эмбриогенезе, оно проходит через несколько определенных шагов, в течении которых растет мышца. Это результат длительного роста. 

Воспроизвести такую мышцу через печать не получится. По крайней мере, при существующих методах. Через 20-30 лет, может быть, мы научимся печатать на субмикронном уровне. Но пока мы так печатать не можем.

L.M: А можно напечатать какую-то заготовку, а после этого дать ей развиваться, повторяя эмбриогенез?

ИЕ: Это возможно. Более того, такие работы велись. Была работа, по-моему, из Мичигана, но к сожалению, я не встречал никаких продолжений. Авторы взяли крысу или мышь. 

Вокруг аорты животного они сделали контейнер из гидрогеля, и в него накапали клеток. Грубо говоря, сердечные клетки начали расти вокруг этой аорты. И вот эта заготовка на самом деле прекрасно работала. 

Как показали исследования, сердечные клетки выжили, более того, от этой аорты пошли сосуды. Они выросли сами, внутрь этой структуры.

Более того, эксперименты показали: у мышцы, которую вырастили в теле крысы или мыши, прекрасная сила сокращения. Гораздо лучше, чем получается при любых других методах.

На мой взгляд, это самый правильный подход — выращивать органы, причем в теле пациента. 

Если у человека, скажем, почечная или печеночная недостаточность, то в принципе можно вырастить новый орган у него внутри.

Я думаю, это гораздо более реалистичный подход, чем выращивать что-то или печатать в пробирке, а потом пытаться пересадить.

L.M: Наверное, тогда имеет смысл начинать такие эксперименты с более простых органов?

ИЕ: Да, совершенно верно. Печень, например, относительно гомогенна, и уже ведутся такие работы. Печеночная и почечная ткань выращивается. Но кожа – самый успешный пример. 

Дерматология – это самая успешная область, кожные покровы уже выращивают в пробирке и потом пересаживают. То есть берутся клетки от пациента (скажем, он пострадал при ожогах), выращиваются островки кожи, и потом они пересаживаются. Кожа — это единственная область, в которой этот метод уже работает.

Подробнее о реальных технологиях, которые смогут защитить наше сердце, «Лаба» обсуждала с Игорем Ефимовым в прямом эфире! Запись стрима здесь:

Похожие материалы

Ученые впервые создали живое сердце с помощью 3d-печати

Текст
2 мин

Важное за день: ДНК расиста, ускорение 3D-печати и «тысяча мозгов»

Текст
2 мин