Регенеративная медицина в Японии: компания Dai Nippon Printing «печатает» клетки

Регенеративная медицина становится доступнее

Под регенеративной медициной понимается использование искусственно выращенных клеток для лечения тканей и клеток, поврежденных вследствие болезни или несчастного случая. В апреле 2013 года в Японии был принят закон, содействующий проведению как общественных, так и частных работ в этой относительно новой области медицины. Однако лишь некоторые новые технологии, в основном регенерация кожи и хрящевой ткани (создание новых тканей из собственных клеток пациента и трансплантация полученного материала пациенту), достигли уровня практического воплощения. Необходимы дальнейшие технические инновации, чтобы большее количество людей могло воспользоваться благами регенеративной медицины.

Симидзу Юдзи (слева), руководитель администрации медико-биологической лаборатории Dai Nippon Printing, и Цутия Кацунори, руководитель лаборатории

Dai Nippon Printing, будучи одной из ведущих полиграфических фирм Японии, за долгие годы разработала целый ряд передовых технологий. В настоящее время компания применяет их для создания методов массового производства клеток, которые позволили бы снизить общую стоимость услуг регенеративной медицины.

«С тех пор, как Гуттенберг изобрел печатный станок, технология печати способствовала распространению книг и привела к развитию и росту культур и религий по всему миру, – объясняет Симидзу Юдзи, руководитель администрации медико-биологической лаборатории при научно-исследовательском центре Dai Nippon. – Точно так же мы надеемся использовать технологию печати для нужд медицины – наладить стабильное массовое производство клеточных пластов. Это позволит сделать регенеративную медицину доступной для гораздо большего количества людей».

Dai Nippon Printing давно занимается медико-биологическим направлением. Компания начала с изготовления комплектов для анализа мочи в 1980-х, и с тех пор расширила производство, которое на настоящий день включает стерильные упаковочные материалы для фармацевтической продукции и сенсорные чипы для определения уровня сахара в крови. Однако ни один из производимых компанией товаров не выходил за рамки ее основного рода деятельности – производства бумажной продукции и печати.

Трехмерная печать кровеносных сосудов

Первые реальные шаги в области медицины были предприняты компанией уже в 2000 годы. В 2004 году, в рамках совместных исследований с Токийским медико-стоматологическим университетом они разработали способ формирования капиллярного рисунка с помощью технологии межэлементных соединений, которую используют для изготовления клише с печатными буквами и фотографиями. С помощью этой технологии можно создавать искусственные капилляры толщиной всего 10 мкм (одна сотая миллиметра) и сложные капиллярные рисунки. Рисунок сосудов воспроизводится на стеклянном субстрате, который затем используется для создания трехмерных капилляров, повторяющих этот рисунок.

Технология межэлементных соединений использует принцип фотомаски, суть которого состоит в том, что точный рисунок наносится на субстрат с помощью ультрафиолетового излучения. Чаще всего речь идет о кремниевой пластине, используемой при производстве устройств с электронными схемами. У исследователей из Dai Nippon возникла идея использовать для формирования сосудов соединение, называемое полиэтиленгликоль (PEG). Клетки не прилипают к PEG, благодаря чему полиэтиленгликоль оказывается идеальным для этой цели. Сформированная сетка представляет собой плоский лист, однако при переносе в среду культивируемых сосудистых клеток, клетки обрастают сетку, образуя трехмерные трубки сосудов. На диаграмме ниже показано, как в результате этого процесса формируются искусственные кровеносные сосуды для имплантации в организм пациента.

Создание трехмерных капилляров в лаборатории.

Исследователи взяли искусственные кровеносные сосуды человека и трансплантировали их мыши с локализованной анемией. Они обнаружили, что мышь не только излечилась от анемии, но и продемонстрировала улучшенную двигательную функцию. В будущем клиническое применение подобных сосудов у пациентов может стимулировать ангиогенез, то есть формирование новых сосудов. В то же время, по словам исследователей, имплантация более тонких капиллярных систем может подавлять сосудистую функцию в части тела и приводить к гибели раковых клеток. И использование этой технологии для культивирования костных или периодонтальных клеток может в итоге помочь регенерации неполноценных костей черепа или вылечить пародонтит.

На основе этих результатов с 2006 года развивается сотрудничество Dai Nippon Printing с Медико-биологической лабораторией Института передовых биоинженерных технологий и научных исследований при Токийском женском медицинском университете, где компания принимает полноценное участие в исследованиях в области регенеративной медицины.

Переход к массовому производству клеточных пластин

Полиграфическая компания также занимается разработкой субстратов культуры клеточных пластин совместно с Токийским женским медицинским университетом в рамках запущенного Университетом биопроекта CellSeed – технологии массового производства, которая может помочь в распространении регенеративной медицины. Имеющие вид тонкой пленки клеточные пластины, создаваемые на основе культур собственных клеток пациента, называют «живыми повязками». Эти пластины трансплантируют так же, как накладывают повязку на пораженный участок. Существующие виды лечения предполагают инъекции отдельных клеток в пораженные участки, однако новый метод позволяет добиться более высокого уровня выживаемости клеток, благодаря чему ожидается лучший терапевтический эффект при том же количестве использованных клеток. Послойное размещение клеточных пластин также может помочь создавать в будущем трехмерные ткани и органы.

В обычных клеточных культурах клетки приклеиваются к дну чашки для культивирования, из-за чего их невозможно собрать без применения специальных энзимов. При использовании клеточных пластин клетки выращиваются до тех пор, пока не сформируют плотную пленку, которую затем собирают как единое целое. В этом случае, однако, использование энзимов для удаления наростов не только заставляет клетки отклеиваться от чашки, но и приводит к потере их сцепления между собой, из-за чего пластина распадается. Для решения этой проблемы коллектив специалистов из Токийского женского медицинского университета разработал технологию культуры с использованием полимерного слоя, адгезионная способность которого в отношении клеток изменяется в зависимости от температуры. Теперь для чистого отделения клеточной пластины от чашки достаточно простого понижения температуры.

Поверхность приобретает гидрофобные свойства при 37°C, однако становится гидрофильной при 20°C, благодаря чему неповрежденные клетки легко отделяются в виде пластины.

С помощью технологии нанообработки, используемой при производстве пленок для жидкокристаллических дисплеев, Dai Nippon Printing удалось свернуть свой чувствительный к температуре субстрат в рулон и наладить его успешное массовое производство. Производство клеточных пластин остается дорогим и сложным процессом, однако благодаря Dai Nippon Printing уже можно говорить о расширении практического применения этой технологии в будущем.

«Исследования продолжаются, и мы обнаружили достаточно много точек соприкосновения между технологией печати и регенеративной медициной, – говорит Цутия. – Когда мы только начинали работать над этой тематикой, мы не слишком хорошо понимали, что на самом деле нужно, и принимали медицинские концепции за аксиому. Мы часто не представляли, что же нам делать. В медицине превыше всего стоит безопасность, а не стоимость. Именно в этом ее основное отличие от печатного дела. Однако по мере нашей работы мы обнаружили способы использовать продвинутые возможности воспроизводства, характерные для технологии печати, что позволило значительно снизить стоимость. Даже сейчас мы продолжаем двигаться вперед методом проб и ошибок, однако можем сказать, что уже достигли уровня, когда врачи и исследователи могут рассчитывать на нас, когда речь идет о вещах, которые мы можем делать как типографская фирма».

Медико-биологическая лаборатория Dai Nippon Printing – это небольшая исследовательская организация. Однако благодаря сотрудничеству с университетами и научно-исследовательскими организациями перед ней открываются различные перспективы и возможности. Dai Nippon и ее партнеры в области научных исследований работают над созданием новых возможностей в области регенеративной медицины.

Сбор материала и текст: Усидзима Бифуэ