№11 ноябрь 2024

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

3D кровеносные сосуды: как настоящие, но лучше

Один из участников недавнего III Конгресса молодых учёных, организованного Фондом «Росконгресс» в рамках Десятилетия Науки и технологий, – Александр Захаров, студент 6 курса лечебного факультета Рязанского медицинского университета, привёз необычную разработку – искусственные кровеносные сосуды, полученные с помощью 3D-печати. О том, как это работает и что может изменить в практической медицине, мы спросили самого Александра.

Александр Захаров и его разработка: образцы литейных форм для 3D-печати и полученные с их помощью модели кровеносных сосудов. Проект представлен на стенде Платформы университетского технологического предпринимательства на Конгрессе молодых учёных. Фото Н. Лесковой.

— Александр, что представляет собой ваша разработка?

— Я представлял на Конгрессе молодых учёных запатентованные нами литейные формы, которые изготавливаются методом 3D-печати и позволяют получать сосудистые протезы из гидрогелей, заселённых клетками. Они могут служить как практическими пособиями для отработки хирургических навыков, так в перспективе и как трансплантаты. Нами выигран грант по программе «Студенческий стартап» в размере одного миллиона рублей для разработки улучшенной универсальной литейной формы, что позволит получать сосуды уже не фиксированного типа, а различного диаметра, морфологии, разных видов ответвлений в зависимости от потребностей конкретного пациента.

— С чего начинался ваш проект?

— Начался это проект на четвёртом курсе университета, когда мы работали в лаборатории клеточных технологий. Мне пришла в голову идея, почему бы нам в этой лаборатории не заняться чем-то, позволяющим выращивать искусственные органы. Я работал в это время в эндотелиальной группе, которая занимается клетками сосудистой стенки, и логичным решением стало попробовать вырастить кровеносные сосуды человека. Я предложил эту идею научному руководителю, и мы начали работать.

— Как это выглядело? Вот вы решили работать, научный руководитель говорит: «Ну, давай!» – а что дальше?

— Мы оформили заявку на научно-исследовательскую работу от университета и начали работать с литейными формами. Вопрос стоял о технологии выращивания сосудистых протезов – для получения искусственных органов существуют технологии биопринтинга. Они дорогостоящие, требуют высокой квалификации персонала для их эксплуатации.

Мы решили исходить из тех средств, которые имелись в нашем университете, и связались с нашим центром аддитивных технологий. Они предоставили нам 3D-принтер, находящийся на базе университетского вивария. Мы решили использовать такую печать для формовки гидрогелей в трубчатые структуры сосудистых протезов и начали разрабатывать литейные формы.

— Что представляет собой литейная форма?

— Это запатентованная нами модульная конструкция, состоящая из 13 деталей различного типа. Детали изготавливаются из фотополимерной полиметилметакрилат-подобной смолы, затвердевающей за счёт послойного ультрафиолетового облучения. В конструкции литейной формы предусмотрены пять типов деталей. Это «стержень», который формирует ось будущей модели сосуда, а заодно и его просвет; два «полуцилиндра», необходимых для формирования стенок сосудистой модели, также они содержат отверстия для контакта гидрогеля с полимеризующим (сшивающим) раствором; две «подставки» – они нужны для закрепления и правильного ориентирования предыдущих деталей друг относительно друга и придания ей устойчивости; четыре «крышки» – они дополнительно скрепляют все выше перечисленные детали для придания литейной форме прочности; четыре «заглушки», нужные для закрытия и открытия отверстий в полуцилиндрах, для регулирования времени и интенсивности контакта гидрогеля со сшивающим раствором. Вся эта конструкция и позволяет нам формировать гидрогели.

А гидрогели, в свою очередь, представляют собой аморфные жидкостные соединения трубчатой формы. Такую форму они приобретают уже после полимеризации («сшивания») раствором в нашей литейной форме.

— А что представляет собой полимеризация?

— С химической точки зрения, за счёт действия полимеризующего раствора, мы вносим в молекулы биополимеров в составе нашего гидрогеля дополнительные химические связи, чем способствуем формированию пространственной ориентации ранее хаотично ориентированных цепей биополимеров. Такое воздействие вызывает изменение структуры гидрогеля: он становится более прочным, эластичным и способным сохранять приданную ему форму. Этот процесс как раз и называется полимеризацией, или сшивкой. На выходе после сборки формы мы получаем довольно прочную полимерную структуру, по форме напоминающую кровеносный сосуд.

— Зачем нужно создавать искусственные кровеносные сосуды?

— Сейчас во всём мире и в России в частности растёт количество сердечно-сосудистых заболеваний. Они лидируют в структуре заболеваемости и смертности. Кроме того, ведущее место в этой проблеме занимает атеросклероз, особенно облитерирующая его форма, нередко требующая замены целых участков сосудистого русла, пересадки сосудистых протезов вместо повреждённых сосудов. К сожалению, сейчас здесь возможно только использование аутотрансплантатов пациента, децеллюляризованных матриксов животных или искусственных протезов на основе ПТФЭ (политетрафторэтилена) или дакрона.

— Почему это плохо?

— Они обладают рядом недостатков – например, нередко ведут к иммунологическому отторжению, тромбообразованию, стенозам и инфекционному воспалению, и такие риски довольно высоки. В течение пяти лет и более, возможно, потребуется новое оперативное вмешательство по замене того трансплантата, который приживили пациенту.

— А в вашем случае таких рисков нет?

— Мы пытаемся найти выход путём разработки биоинженерных сосудистых протезов, совместимых с организмом пациента. По нашему замыслу, они будут иметь минимальный риск тромбируемости и отторжения, а также хорошие физические свойства для использования крови под давлением.

— Почему вы думаете, что ваши сосудистые протезы будут иметь все эти достоинства и не будут иметь недостатков предыдущих разработок?

— Мы не исключаем, что они тоже могут иметь недостатки, но мы планомерно работаем над совершенствованием нашего продукта. В частности, недавно мы провели исследование, в котором выяснили, что наши сосудистые протезы могут выдерживать артериальное давление 300 мм ртутного столба и более.

— А зачем это нужно? Ведь такого давления у людей не бывает.

— Большинство пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями страдают гипертонической болезнью и во время гипертонических кризов их систолическое давление может доходить до 200 мм ртутного столба и более. Соответственно, чтобы наш сосудистый протез не разорвался от таких скачков кровяного давления, он должен быть рассчитан на стойкость к экстремально высоким показателям артериального давления. Мы надеемся, что, развивая нашу работу дальше, мы сможем создать хороший продукт, который позволит после клинических испытаний пересаживать его пациентам.

photo_2023-12-07_21-19-02_low.jpg
Тестирования гидрогелевой модели кровеносного сосуда высоким давлением на экспозиции проекта на Конгрессе молодых учёных 2023. Фото Н. Лесковой.

— Испытания на животных вы уже проводите?

— Сейчас мы находимся на стадии доработки нашей технологии, параллельно проводим испытания in vitro – то есть, проводим испытания наших гидрогелей с клетками на предмет цитосовместимости, испытания их физических свойств. Надеюсь, через год-полтора мы перейдём к испытаниям на животных. По сути, перед нами сейчас стоит задача протестировать физические свойства гидрогелей как материала для получения сосуда, протестировать его совместимость с клетками, затем перейти к исследованиям на животных и двигаться дальше, к конкретным пациентам.

— Каким образом вы планируете испытывать это на животных? Это будут лабораторные мыши?

— Мы надеемся, что это будут мини-пиги. Они крупнее и с ними проще работать, получать сосуды большего диаметра. Мы будем им пересаживать участки сосудистых протезов, которые мы получим в наших моделях кровеносных сосудов, проверять под УЗИ-контролем проходимость кровеносных сосудов, их инфильтрацию, будем брать анализ крови, чтобы понять, нет ли воспаления.

— Всё-таки почему вы думаете, что ваши протезы лучше, чем то, что уже есть?

— В первую очередь, потому что мы будем заселять их клетками организма пациентов. Пациентоспецифичные клетки имеют антигенный состав, идентичный организму, поэтому они не должны вызывать иммунологического отторжения.

— Где вы будете брать эти клетки?

— На данный момент это клетки из Банка клеток, заготовленные специально для нашей лаборатории. В будущем мы будем брать у пациента клетки сосудистой стенки, заручившись его добровольным информированным согласием. Затем мы поместим эти клетки в гидрогель, исследуем их метаболическую активность, их рост под микроскопом и проведём тестирование на выживаемость клеток в нашем материале.

— А когда наступает этап 3D-печати?

— В тот момент, когда нужно гидрогель, в который мы заселили клетки, преобразовать в трубчатую форму, соответствующую модели кровеносных сосудов. Мы заселяем клетками гидрогель, затем суспензию клеток помещаем в литейную форму, где буквально за полчаса можем получить трубчатую структуру, а затем культивируем в лаборатории эту трёхмерную структуру кровеносного сосуда.

— Означает ли это, что каждая такая структура будет индивидуально подобрана под конкретного пациента?

— В идеале – да. Это переход к персонифицированной медицине.

— Как думаете, когда начнутся клинические испытания?

— В течение ближайших трёх лет, если мы сможем доказать эффективность разработанной нами технологии в экспериментах на животных.

— Есть ли где-то подобные разработки?

— Подобных разработок с использованием именно литейных форм нет. Есть разработки, связанные с биопринтингом и с электроспиннингом. Недостатки первой технологии – очень высокая цена на биопринтеры, необходимость их импорта из-за границы и сложная эксплуатация. Однако это сейчас наиболее «модное» направление в биомедицине и создании искусственных органов, которое пытаются развивать очень крупные лаборатории, например, в Калифорнийском университете США и в Сеченовском университете в России.

Что касается электроспиннинга, это технология получения сосудистых протезов путём наслаивания нитей полимера в электромагнитном поле. Главные недостатки такой технологии – пористость получаемых моделей кровеносных сосудов, что увеличивает риски тромбообразования, и возможность получения лишь линейных моделей кровеносных сосудов без сложных ветвящихся конфигураций. Разработки в этом направлении ведутся, например, в Кемерово и Томске.

Наш же подход принципиально иной – мы используем простую и распространённую технологию 3D-печати, получаем литейные формы, которые можно применять неограниченное количество раз для формовки большого числа сосудистых моделей, тем самым более эффективно заменяя технологию биопринтинга.

— Расскажите о ваших впечатлениях о Конгрессе молодых учёных. Вызвала ли интерес ваша разработка?

— Впечатления от Конгресса положительные. Мы получили возможность показать наш проект широкой аудитории, получили хорошие отзывы от специалистов, ведущих научные разработки в сфере биомедицины, нашли заинтересованных в сотрудничестве коллег, продемонстрировали в ходе Конгресса разработку зампреду правительства РФ Дмитрию Чернышенко и министру науки и высшего образования Валерию Фалькову, дали несколько интервью и, я надеюсь, достойно представили нашу alma mater – Рязанский государственный медицинский университет и Платформу университетского технологического предпринимательства, благодаря которой и состоялась эта поездка.

Автор: Наталия Лескова


Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie и рекомендательные технологии. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie и рекомендательных технологий на вашем устройстве. Подробнее