Биопечать мозга: от хаоса к организованной структуре
Исследователи из Оксфордского университета приблизились к созданию тканей, напоминающих мозг, с помощью 3D-печати. Они смогли организовать клетки в структуры, которые похожи на человеческий мозг гораздо больше, чем любые лабораторные модели прежде.
Эти результаты подводят итог пятилетней работе программы Oxford Martin Programme on 3D Printing for Brain Repair, запущенной в 2020 году. Её цель — выяснить, сможет ли аддитивное производство когда-нибудь помочь лечить травмы и заболевания мозга. Сейчас программа завершена. И хотя до клинического прорыва или готового продукта ещё далеко, исследователи получили серию важных научных результатов.
Ключевой прогресс — в структуре.
Учёные давно умеют выращивать клетки мозга в лаборатории. Они даже использовали 3D-печать, чтобы поместить эти клетки в мягкие гелеобразные материалы. Но результат чаще напоминал хаотичные скопления, а не настоящую ткань. Человеческий мозг, особенно кора, устроен иначе. Нейроны в нём расположены слоями, с чёткими связями между разными типами клеток. Именно такая организация позволяет мозгу обрабатывать информацию.
Команда Оксфорда начала воссоздавать эту организацию. Исследователи взяли человеческие стволовые клетки, получили из них разные типы клеток мозга и с помощью 3D-печати и микрофлюидных систем разместили их слоями, имитирующими кору.
Учёные не стали использовать коммерческий биопринтер. Они собрали собственную капельную систему, которая выбрасывает крошечные капли, содержащие клетки. Это дало им более тонкий контроль над сборкой ткани. Вместо случайных комков они получили контролируемую многослойную структуру. Метод сочетает биопечать с точной подачей жидкости: клетки располагаются гораздо аккуратнее, чем в старых моделях на каркасах или в органоидах.
Клетки остались живыми, сохранили форму и начали взаимодействовать. Одни протягивали отростки, другие перемещались между слоями. Это поведение, характерное для настоящей ткани, а не просто для лабораторной модели. Пока работа идёт только in vitro, без тестов на животных или людях.
Проблемы биопечати
Этот прогресс решает одну из главных проблем биопечати: не просто напечатать клетки, а правильно их организовать. За пять лет программа выпустила несколько научных работ. Последнее обновление подводит итог всему объёму исследований, который команда называет «постепенными улучшениями в структуре, поведении клеток и воспроизводимости».
Самое прямое применение таких тканей сегодня — исследования. Более реалистичные модели мозга помогут изучать его развитие, течение болезней и действие лекарств на человеческие клетки. Мозг — одна из самых труднодоступных частей тела для прямого изучения. Поэтому качественные лабораторные модели могут ускорить исследования нейродегенерации, травм и нарушений развития. Именно в этой области биопечать уже работает: напечатанные ткани всё чаще используют для поиска и тестирования лекарств, хотя до сложных органов ещё далеко.
Работу возглавляют нейробиологи Золтан Мольнар и Фрэнсис Сзеле вместе с профессором Хэганом Бэйли, ведущим специалистом по молекулярной биоинженерии в Оксфорде, и оксфордским стипендиатом Линной Чжоу.
Долгосрочная цель всей этой области куда амбициознее. Если научиться надёжно создавать структурированную ткань мозга, следующий вопрос — можно ли использовать её для восстановления повреждений после инсульта, травмы или болезни. Для этого понадобятся серьёзные прорывы: васкуляризация, долговременная функциональность и безопасная интеграция в организм. Все эти задачи исследователи пока решают. Так что это ещё не восстановление мозга. Но это признак того, что биопечать переходит в новую фазу. Поле уже умеет печатать ткани для тестирования и теперь осваивает более сложные — вроде ткани мозга, которая должна быть структурированной и функциональной. Работа оксфордской команды отражает этот сдвиг: фокус смещается с того, можно ли напечатать клетки, на то, можно ли организовать их в нечто, действительно ведущее себя как живая ткань.
Применение в России и СНГ
Для российской науки и медицины оксфордский подход — это ориентир, а не прямое руководство к действию. Биопечать тканей в нашей стране находится на стадии лабораторных исследований и пилотных проектов. Основные заказчики такой технологии — научно-исследовательские институты и медицинские университеты, работающие с клеточными технологиями. Если российским командам удастся адаптировать подобные методы, первые применения найдутся не в клинике, а в фармакологии: создание тестовых моделей ткани мозга для скрининга лекарств против нейродегенеративных заболеваний. Это снизило бы зависимость от импортных клеточных линий и животных моделей. Однако для практического внедрения потребуется не только оборудование, но и смена регуляторных подходов к работе с напечатанными человеческими тканями.
