Почему у нас не отрастают ноги и руки, а у эмбрионов на ранних стадиях развития людей — вполне?
Если школьник спросит у учителя биологии, почему у позвоночного (то есть сложного существа) аксолотля могут отрастать конечности, причем без негативных последствий, а у человека даже кожа при серьезном ожоге не может регенерировать без больших проблем, то ответ, как правило, будет таким: аксолотль проще.
Однако это сомнительный ответ: человеческий эмбрион до восьми недель отлично регенерирует никак не хуже аксолотля. Даже если берутся «синтетические эмбрионы», получаемые из стволовых клеток взрослых людей, любое их повреждение просто приводит к миграции в поврежденный участок других клеток эмбриона. Там они делятся и полностью восстанавливают поврежденный участок.
А ведь к концу восьмой недели у эмбриона уже сформированы практически все органы: он биологически не проще, чем в момент рождения. Руки, ноги все еще выглядят не так, как у нас, но вполне узнаваемы. Собственно, поэтому его после восьми недель перестают называть эмбрионом и переименовывают в плод.
Генетики тоже добавляют сложных штрихов в картину: они установили, что у человека тоже есть гены, позволяющие широкую регенерацию. Как раз у эмбриона они еще работают, а после — напротив, принудительно отключаются организмом. Например, таковы сигнальные системы белков WNT, BMP (кодирует белки костных морфогенетических белков) и FGF (кодирует передний телэнцефалический источник факторов роста фибробластов). Фибробласты — клетки соединительной ткани человека, они играют ключевую роль в заживлении ран. Почему после восьми недель все это выключается?
Называя вещи своими именами, наука этого не знает. Не знает она и то, как безопасно «включить» подавляемые «гены регенерации» у уже рожденного человека. Есть разные гипотезы: по одной, у нас более жесткий иммунитет, чем у аксолотлей и эмбрионов. Поэтому у последних макрофаги не стимулируют быстрое образование рубцовой ткани, чтобы как можно быстрее закрыть рану хоть чем-нибудь и не дать инфекции туда проникнуть.
У этой гипотезы есть узкие места. Скажем, регенерация клеток сердца никак не связана с инфекциями: сердце относительно далеко от кожи, после инфаркта туда не попадет бактерия. Было бы неплохо, если бы оно нормально регенерировало. Вместо этого обычные клетки там замещает фиброзная ткань, как на поверхности кожи. То же относится к другим внутренним органам.
При этом новые нейроны, вопреки расхожей фразе «нервные клетки не восстанавливаются», на самом деле могут появляться у взрослых людей — но только в некоторых случаях. Иными словами, разные типы клеток имеют разный потенциал к регенерации. И неясно, почему подход с «рубцеванием», логичный для кожи, не используется для внутренних органов, но почему-то может использоваться для клеток головного мозга.
Вопрос о том, как заставить механизм включить регенерацию обратно, научно сложный. Эксперименты по реактивации таких генов на рыбах уже дали полный успех, на мышах — частичный. Часть сердца после инфаркта удалось восстановить без «рубцов», настоящими кардиомиоцитами, то есть без снижения функций сердца. Однако полного восстановления у млекопитающих пока не происходит.
Биологи отмечают, что у млекопитающих имеется сложный в обходе эпигенетический барьер, блокирующий такое восстановление. Работа в этом направлении перспективна: если мы действительно научимся подавлять блокировку полной бесследной регенерации, не очень понятно, какие физические барьеры останутся между нами и полным бессмертием. Ведь клетки при действительно полной регенерации всегда будут «как новые». Такое многоклеточное, как гидра, уже продемонстрировало возможность полного омоложения организма в целом, с обнулением биологического возраста.
И все же это работа на длительную перспективу: механизмы подавления регенерации уж очень сложны. А помочь людям хочется уже сегодня. Можно ли это сделать?
Дать организму основу: как помочь костям восстановить себя
Даже с отключенными генами полной регенерации человеческое тело может восстановить немало — например, кость при сложных переломах. Этому мешает то, что кости часто смещаются относительно природного положения и не могут восстановиться в нужной, здоровой форме.
На этом направлении в России работает ООО «Росатом МеталлТех», часть топливной компании «Росатома» «ТВЭЛ». Компания создает различные типы пластин для накостного остеосинтеза — в основном титановые пластины и штифты, соединяющие между собой фрагменты сломанных костей самых разных размеров. Общий объем выпуска титановых имплантатов — 140 тысяч изделий в год. За счет фиксации в нужной плоскости с помощью таких пластин остеосинтез идет корректно, а кости восстанавливаются с исходным набором возможностей.
Это очень важно, поскольку искусственная замена костей — даже с использованием титановых сплавов — всегда менее функциональна. Да, простые бытовые операции с ними выполнять можно, но даже отжимания, не говоря уже о занятиях со штангой, опасны. Человеческий скелет за миллионы лет эволюции обрел отличные возможности переносить головокружительные нагрузки без усталостных трещин (или с их плавным залечиванием), у механических конструкций не было столько времени на совершенствование, поэтому нет и подобных свойств.
Конечно, востребованы не только пластины, но и фиксирующие интрамедуллярные штифты для лечения переломов плечевой, бедренной и большеберцовой костей. Причем выпускают не просто «голые» имплантаты, но и наборы инструмента, который на рентгене становится прозрачным (таким образом, хирургу во время операции видно, что именно происходит с костью), комплекты запатентованных фиксирующих винтов и так далее. Титан в этой сфере столь популярен не только из-за прочности, но и отличной биосовместимости, крайне редкой для металлов: обычно в биологической среде они быстро корродируют, а то и отравляют организм продуктами коррозии. К счастью, к этому легкому металлу такое не относится.
Имплантатами занимаются не только в топливном, но и в научном дивизионе госкорпорации. В 2023 году в научном институте «Росатома» в Троицке открыли специальную лабораторию аддитивных технологий и биоинжиниринга, а в 2025-м ее передали в Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации (НИИТФА). Чем она занимается?
Среди прочего там моделируют и печатают на специальном электронно-лучевом 3D-принтере титановые имплантаты формы и размеров, необходимых конкретному пациенту. Это очень важно, например, в челюстно-лицевой хирургии. За счет аддитивных технологий такой печати можно сделать изделие «под конкретного человека» всего за неделю. В перспективе лаборатория планирует делать серийные имплантаты с биосовместимым покрытием.
На такие имплантаты наносят специальное двуслойное покрытие. Верхний слой по составу предельно близок к минеральной составляющей человеческой кости. Эти поверхности называют остеотропными: клеткам восстанавливающихся костей проще всего их колонизировать без каких-либо процессов отторжения, причем в конце процесса верхний слой полностью поглощается организмом.
Почему это важно? Хотя титан в норме приживается хорошо, бывают исключения: при физических нагрузках протез расшатывается, может начаться и отторжение, вокруг протеза формируется фиброзная капсула, не дающая ему полноценно заменять кость. Нужно исключить даже малейшую вероятность таких событий, покрыв протез чем-то, что не даст организму «заподозрить» подмену.
За рубежом это уже пробовали делать, покрывая титановые протезы кальций-фосфатной керамикой. Но проблема в том, что она не биоразлагаемая, поэтому интеграция титанового протеза в нарастающую на нем костную ткань идет медленно. Если до окончания этого процесса случится смещение под нагрузкой, пациенту может потребоваться повторная операция.
Покрытие, производимое в лаборатории аддитивных технологий и биоинжиниринга, имеет в составе еще и кремний с магнием. Эти микроэлементы ускоряют образование костной ткани, минимизируя риск.
Биофабрикация: построй ткани для пациента из собственных клеток пациента
В ряде случаев нужно не просто дать организму основу для восстановления, но и восстановить что-то за него. Пересадка органов, о которой так много говорят, тут, к сожалению, не лучший помощник. Вспомним: сердце и легкие научились пересаживать еще в середине прошлого века. Но на практике и сегодня с ними не получается прожить десятки лет. Рано или поздно иммунитет распознает чужую ДНК в пересаженных органах и начинает их атаковать: идет процесс отторжения.
Есть разные трюки для борьбы с ним — скажем, препараты, подавляющие иммунитет, могут отсрочить процесс. Но подавление иммунитета не бесплатный завтрак. За него приходится платить повышенным риском инфекционных болезней, а если иммунитет подавлен основательно — иной раз и со смертельным исходом. Поэтому кардиологи выбирают кардиостимулятор, а не пересадку, которую видят как самый последний рубеж обороны, куда отступают, если не осталось других вариантов.
Именно для подобных случаев и нужна биофабрикация. Эта технология позволяет взять клетки самого пациента и начать выращивать ту или иную ткань из них. Плюсов у такого подхода много: во-первых, нет вероятности отторжения, не нужно подавлять иммунитет. Во-вторых, потенциально возникает возможность трансплантировать выращенные ткани (а в перспективе и органы) детям. Сейчас это архисложно: ребенок растет, пересаженные ему ткани если и растут, то не с той скоростью, что его собственные.
Ученые «Росатома» уже разработали биофабрикатор, способный выращивать биосовместимые искусственные кровеносные сосуды длиной до 10 сантиметров из клеток пациента. Сосуд, с одной стороны, стартовая задача, поскольку выращивать цилиндр проще, чем сложные по форме органы. С другой — очень востребованная. Проблемы с крупными сосудами около сердца часто ведут к смерти (именно на сердце и сосуды приходится основная часть всех смертей в мире).
Как же ученые «Росатома» выращивают сосуды? Процесс начинается с клеток пациента, которые размножают в лаборатории. Из них формируют микроскопические живые шарики — сфероиды диаметром 0,2-0,3 миллиметра. Эти сфероиды помещают в рабочую область биофабрикатора. Здесь и происходит главное: вместо традиционных методов система использует физические силы — магнитные и акустические поля. Под их точным воздействием сфероиды не просто соединяются, а целенаправленно распределяются по стенкам, формируя полую структуру.
Именно так создается внутреннее отверстие по всей длине будущего сосуда, необходимое для тока крови. В результате из этих сдвинутых и соединенных сфероидов получается полноценная стенка сосудистой ткани.
До середины 2010-х биофабрикацию пытались вести на основе отдельных клеток, распыляемых гидрогелем. Плотность клеток в гидрогеле была низка, поэтому выращивание из нее тканей шло медленнее. В 2014 году российская компания 3D Bioprinting Solutions создала экструзионный биопринтер Fabion. Он впервые распылял предварительно выращенные сфероиды, что резко ускорило процесс получения целевой ткани.
Знаменитый российский ученый в области биопечати Владимир Миронов назвал сам процесс слияния французским поцелуем. «Слипшиеся» после него между собой сфероиды переносят в биореактор, где они делятся дальше, вплоть до слияния клеток из разных сфероидов в единый кровеносный сосуд. Чтобы все клетки чувствовали себя хорошо, через напечатанный эквивалент сосуда прокачивают питательную среду. Потом их скручивают, начинают имитировать пульсацию и другие процессы, проходящие с сосудами внутри организма. Только когда выращенный сосуд уже прошел через эти «тренировки», его можно пересаживать людям.
Здесь кроется важное отличие технологии биофабрикации от простой биопечати: в ней пытаются сразу нанести клетки друг поверх друга. Однако сразу после распыления из принтера они еще не образовали единую ткань. Питательные вещества не переносятся между ними равномерно, поэтому клетки из внутренних слоев буквально гибнут от нехватки питательных веществ, пока на них наносят верхние слои из таких же клеток. В биофабрикации этой проблемы нет: отсутствие гидрогелевой среды позволяет подавать питание клеткам напрямую, что поддерживает их жизнеспособность до образования полноценной ткани.
Важной новацией в области биофабрикации в «Росатоме» видят развитие магнитных средств удержания клеток во время формирования ткани. Акустические (ультразвуковые) поля обеспечивают высокоточное манипулирование клетками и тканевыми сфероидами без физического контакта. Это делает ультразвук идеальным инструментом для микро- и миллиметровых структур, таких как мелкие сосуды и сложные тканевые модули, где требуется ювелирная точность, но менее пригодным для построения массивных органов.
Магнитные поля имеют более высокую силу воздействия на клетки в большем объеме формируемого органа. Это позволяет с их помощью агрегировать клеточный материал в крупные структуры, что необходимого для замены человеческого органа. Но с помощью магнитных полей проблематично создать сложные геометрические формы будущих органов.
В 2018 году российская компания 3D Bioprinting Solutions провела выращивание щитовидной железы мыши на МКС. Это стало первым случаем сложной биопечати в космосе. Считается, что в таких условиях она проще: гравитация не мешает формированию выращиваемого органа.
Полученный орган пересадили живой мыши, из клеток которой щитовидку и вырастили. Он прижился и начал вырабатывать гормон тироксин, показав, что полностью интегрировался в организм и выполняет положенные ему функции.
Кстати, принтер для космоса у 3D Bioprinting Solutions семь лет назад использовал магнитные, а не акустические поля. К сожалению, на Земле он бы работать не смог: из-за влияния силы тяжести здесь нужны намного более сильные магнитные поля. Настолько, что их не добиться без сверхпроводящих магнитов. Учитывая, что «Росатом», благодаря работе над термоядерным синтезом, занимает лидирующие позиции в этой области, логично, что госкорпорация рассчитывает уже в ближайшее время наладить выращивание живых тканей и на нашей планете.
Будущее биофабрикации видят в выращивании сложных органов, вплоть до сердца. Мозг и сердце, с другой стороны, вряд ли можно будет вырастить во всей мыслимой перспективе: его строение очень сложно, пока даже не ясно, как к такому подступиться.
«Я убежден: все, что создано природой, человек сможет вырастить».
Директор научно-производственного центра медицинских изделий НИИТФА Владислав Парфенов
Вернемся к уже сделанному. Во время отработки новых технологий эквивалент кровеносного сосуда из биофабрикатора «Росатома» уже имплантировали в бедренную артерию кролика. Она довольно крупная и отвечает за кровоток больших объемов, но никаких проблем из-за нее кролик не испытал: сосуд функционирует «как родной».
По окончании исследований на животных настанет очередь людей. Такая технология пригодится тем, кто страдает от варикоза, тромбозов, ишемической болезни сердца и многого другого.
Создать универсальные «кирпичики»
Проблему создания органов, пригодных для пересадки людям, в «Росатоме» планируют решить уже к началу 2030-х годов. Но чтобы сделать такие решения массовыми, необходимо где-то взять много исходных «кирпичиков» — клеток для выращивания сфероидов для биофабрикатора.
Теоретически их все можно брать у самого человека, нуждающегося в трансплантации. Он сдаст кровь, из нее возьмут клетки, которые будут модифицированы до индуцированных стволовых плюрипотентных клеток, а из них уже можно получить любую клетку организма. Но, как и со всеми работами «под конкретного клиента», это требует времени — трех-шести месяцев. А если человек только что перенес инфаркт или опасную травму? Дождется ли он пересадки?
Решение этой проблемы ищут разными путями. Один из них — создание банка клеток, где будут храниться «кирпичики» разных типов, с минимальными шансами на их отторжение. Время это экономит, но шанс отторжения все же есть. Кроме того, в странах с широким генетическим разнообразием населения (читай — в России) в таких банках нужно иметь немало различных типов клеток.
Есть и принципиально иной подход: вырастить «универсальные кирпичики», то есть клетки, подходящие сразу всем пациентам. Для этого работает общий проект «Росатома» и Федерального медико-биологического агентства. Там берут нужные типы клеток и генетически модифицируют их таким образом, чтобы они не несли клеточных маркеров, способных запустить процесс отторжения пересаженной ткани или органа. Исследователи предполагают, что при этом подходе время ожидания пересадки от месяцев сократится до считаных дней.
Учитывая, что в мире проводят 150 тысяч операций в год по пересадке органов — а большинству нуждающихся их не делают просто потому, что нет нужных (и не отторгающихся!) органов, — биофабрикацию ждет многообещающее будущее. И радует, что в России оно приближается максимально быстро.