Автор Зайцева Ірина 
В лабораторії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна запустив роботизований біопринтер, який можна використовувати для створення тканинних еквівалентів шкіри, рогівки, кісток і хрящів. Для цього використовуються природні або синтетичні полімери, біосумісні метали, кераміка та живі клітини людини.
Як працює найсучасніше обладнання та які перспективи воно відкриває для практичної медицини Харкова, дізнавалися кореспонденти Укрінформу.
ЗА ХАРАКТЕРИСТИКАМИ – ЄДИНИЙ У СХІДНІЙ ЄВРОПІ
Завідувач лабораторії медичних біодосліджень Каразіна БіоМед, к.б.н Юрій Кот зазначив, що біопринтер вартістю 22 млн грн є унікальним несерійним апаратом. Виготовляється виключно під конкретного замовника і з необхідними для нього характеристиками. Харківське виробниче підприємство має 17-ту друкарню.
– А за наявним обладнанням він взагалі єдиний у Східній Європі. Водночас Чехія замовила біопринтер. Але у них дві друкуючі головки, а у нас п’ять», – зазначає керівник лабораторії.
Тож унікальним обладнанням цікавляться вчені не лише в Україні: ви вже підписали угоду з Національним інститутом здоров’я та медичних досліджень Франції щодо експериментальних розробок.
АБСОЛЮТНА СТЕРИЛЬНІСТЬ І «МАТРАСИ» ДЛЯ КЛІТИН
Перш ніж принтер почне друкувати біоінженерну конструкцію (так називається готовий продукт), на ній працює весь комплекс обладнання Karazin BioMed.
Процес починається в стерильній камері для культивування клітин. Вхід тільки в спецкостюмі. Всередині підтримується постійний позитивний тиск стерильного повітря (показник видно на манометрі), тому при відкритті дверей в приміщення не потрапляють нечисті повітряні маси з іншої частини лабораторії.
– Тут готують клітини чи біополімери. Робота в культуральному боксі організована таким чином, щоб виключити контамінацію (зараження) культур клітин людини та реактивів мікроорганізмами. Однак, згідно з сучасними протоколами, однієї стерильної кімнати недостатньо: необхідно, щоб усі процеси відбувалися в ламінарній шафі. Це пристрій, який очищає, стерилізує і направляє повітря з однаковою швидкістю в ізольовану від зовнішнього середовища робочу камеру. На робочій поверхні такого боксу ми можемо відкривати чашки Петрі чи флакони з реактивами, не боячись забруднитися», — пояснює науковець.
Якщо потрібно роздрукувати, наприклад, штучну шкіру для трансплантації, можна взяти клітини у самого пацієнта – зробити біопсію.
– Ми можемо виділяти різні типи людських клітин і розмножувати їх у лабораторії. Необхідні умови — температуру, вологість і навіть відповідний газовий склад атмосфери — забезпечує пристрій, який називається вуглекислотним інкубатором. Робоча камера містить флакони з живильним середовищем для культивування клітин, на науковому жаргоні – «матрацні пляшки». Ми працюємо з багатоярусними флаконами: їх три, і на кожному «поверсі» росте шар товщиною в одну клітину», — демонструє керівник лабораторії.
Процес росту клітин контролюють за допомогою мікроскопа, а також за допомогою термостата, підключення вуглекислого газу і контролю вологості. Далі проводиться дослідження на цитометрі.
— Перш за все, він лічить клітини. Прилад робить абсолютний розрахунок. Якщо умовно 1 мільйон 200 тисяч 1 клітина, він це визначить. Ця точність важлива для розуміння того, скільки клітин було створено та чи достатньо їх для створення продукту біоінженерії. А найголовніше — цитометр може аналізувати життєздатність клітин і визначати кількість живих клітин, придатних для подальшої роботи», — пояснює Кот.
ДРУКОВА ПРОДУКЦІЯ ПОВИННА… ДОЗРІТИ
Перевірені комірки в достатній кількості відправляються на друкарню. Програмне забезпечення створює потрібну модель біоконструкції. Для «друку» використовуються не тільки клітини, а й біополімери.
«Самі клітини не побудують необхідний тривимірний об’єкт — їм потрібно за щось чіплятися». Біополімери створюють своєрідний каркас, арматуру. А сам процес біодруку відбувається за допомогою спеціальних дозаторів, кожен з яких працює з певним типом матеріалу. У нас є два дозатори для клітин і два для біополімерів. І вони можуть виробляти ультратонкі волокна мікрометрового та нанометрового діапазонів — у десять або навіть тисячу разів тонші за людську волосину. Це можна порівняти з фактичною товщиною біополімерних волокон у тканинах людини. У нас також є дозатор розплаву для біосумісних металів і металокераміки», — каже Коут.
Під час друку принтер одночасно застосовує різні комбінації трьох технологій подачі носія за допомогою цих п’яти дозаторів. Обсяги матеріалів, які використовуються пристроєм, настільки малі, що неозброєним оком побачити процес просто неможливо – лише загальну форму виробу.
«Це як міліметр за міліметром написати своє ім’я, прізвище та всю контактну інформацію», — пропонує уявити Юрій Кот. «Тому спостереження за процесом в режимі реального часу відбувається під прицілом відеокамери високої роздільної здатності.
На друку процес не закінчується: біоконструкція повертається в стерильний бокс і поміщається в інший спеціальний пристрій.
— Біопринтер не випускає готову продукцію; це не конвеєр. Оскільки клітини постійно мігрують і діляться, їм потрібен час, щоб адаптуватися до нових умов і поступово мігрувати в необхідні шари структури. Для повної або майже повної ідентичності з природними тканинами на мікрорівні біоконструкція проходить так званий процес дозрівання в біореакторі.
Готовий продукт перевіряють на конфокальному мікроскопі – приладі, який дозволяє вивчати структуру штучної тканини, розподіл і стан клітин у ній. Весь контроль здійснюється з моніторів. Вчений пояснює роботу мікроскопа так:
— Простими словами, це як томограма, тільки на мікрорівні. Ми вивчаємо наші біоінженерні проекти в трьох вимірах. Ми бачимо кожну клітинку. Продукт попередньо оброблений спеціальними флуоресцентними реагентами-мітками. Після цього, наприклад, мертві клітини світяться червоним, і програма може підрахувати їх кількість у всьому обсязі штучної тканини. Не існує 100% здорових і живих клітин; вони досить вразливі в лабораторних умовах. Крім того, в штучних тканинах, як і в організмі, також відбувається процес відмирання клітин через старість. Життєздатність 90-95% – відмінний результат.
ПРІОРИТЕТ – КЛІНІЧНА ПРАКТИКА…
Продукти, створені за допомогою біопринтера, знадобляться в трансплантології, реконструктивній хірургії, регенеративній медицині, травматології, ортопедії, кардіохірургії, стоматології, а також для тестування нових ліків.
– До появи біопринтера ми могли виготовляти невеликі фрагменти еквівалентів шкіри в лабораторії, але зараз, приблизно за два тижні, ми можемо отримати досить великі та стандартизовані фрагменти, придатні для використання в клініці. Штучна кістка є більш складним виробом; процес виготовлення може тривати до 20 днів», – зазначає Юрій Кот.
Університет хоче отримати ліцензію МОЗ на медичне обладнання. Очікується, що це займе щонайменше рік.
– Але тепер ми можемо брати участь у доклінічних та клінічних дослідженнях. Ми почали проводити семінари з практикуючими лікарями, зокрема хірургами, які цікавляться нашими можливостями. Ми можемо виготовляти аналоги шкіри для лікування опіків, аналоги хрящової та кісткової тканини для лікування ушкоджень опорно-рухового апарату, різноманітні покриття для прискорення загоєння ран та багато іншого. Звичайно, спочатку це будуть експериментальні продукти, тому що протоколи ще не розроблені та офіційно затверджені. Але впровадження продуктів у клінічну практику є нашим пріоритетом», — говорить Коут.
…ТА ОСВІТА МАЙБУТНІХ БІОІНЖЕНЕРІВ
Комплекс обладнання для медичної науково-біологічної лабораторії Каразіна БіоМед створювався протягом кількох років, в основному завдяки меценатам, а також науковим грантам і цільовим коштам з державного бюджету. Біопринтер університет отримав у рамках інвестиційного проекту «Покращення вищої освіти на результат» від МОН та Світового банку.
– Окрім наукового та виробничого процесів, ми зобов’язалися запровадити це обладнання в навчальний процес. З ним зможуть ознайомитись студенти та аспіранти біологічного, медичного та фізико-технічного факультетів. На наступний семестр ми вже змінюємо навчальні програми, щоб були відповідні лабораторні роботи, навчання, стажування, програми короткострокової атестації», – каже Кот.
Юлія БайрачнаХарків
Фото В'ячеслав Мадієвський / Укрінформ
Ви можете купити більше фотографій тут.