Директор Института биомедицинской инженерии МИСИС Федор Сенатов рассказал о перспективах развития биомедицинской инженерии, о том, как ее развитие может повлиять на медицину в космосе, какую роль играет биоинженерия в подготовке к длительным космическим миссиям и о возможностях использования 3D-печати в космосе.
— Федор, расскажите немного о себе, где родились, учились. Каков был ваш путь в биомедицинской инженерии?
Родился в Москве в 1987-м году, учился в гимназии № 1505 в физико-математическом классе, очень нравилась физика и хотел чем-то таким заниматься, где есть эксперименты. А в 10-11 классе узнал про углеродные нанотрубки — суперматериал с необычными свойствами. Стал об этом читать, изучать, даже написал сайт. К слову, это был первый сайт в Рунете, посвященный наноматериалу. Затем стал смотреть, куда бы можно поступить, ну и, собственно, главный университет по материаловедению — это МИСИС. Поступил на специальность наноматериалов. Уже будучи студентом пробовал разные проекты, связанные совершенно различными тематиками: от разработки материалов для трубной промышленности до радиационно-стойких материалов.
В какой-то момент понял, что знания в области материаловедения очень хорошо могут быть применены в области медицины. Вообще в медицине очень хорошо «видно», сделают что-то полезное или нет.
Мне захотелось как раз приложить свои знания в какой-то области, максимально близкой для человека, поэтому стал заниматься проектами в области биомедицины, разработкой материалов для эндопротезирования суставов, сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. В этой области была и дипломная, а затем и кандидатская.
— Каковы ключевые направления работы возглавляемого вами Института биомедицинской инженерии?
В Институте пять крупных подразделений. В МИСИС первые работы в области биоматериаловедения начались еще в 1970-е, когда были разработаны сплавы с памятью формы на основе титана, которые были применены в стентах для стентирования кровеносных сосудов. В институте сейчас есть подразделения, связанные с ортопедией, травматологией, где нужны как раз металлические, износостойкие, прочные материалы.
Также есть крупные подразделения, занимающиеся покрытиями, мембранами, пленками, в том числе ранозаживляющими покрытиями. Есть подразделения, связанные с тераностикой социально значимых заболеваний, в том числе онкологических. Один из ярких примеров — это разработка магнитных наночастиц, которые могут быть носителями лекарственных препаратов, которые могут таргетно попадать, например, в опухоль и приводить к гибели этой раковых клеток. Есть направление, связанное с биофизикой. В лаборатории биофизики находится уникальная научная установка — сканирующий ионопроводящий микроскоп. Как у нас коллеги говорят, это окно из наномира в макромир. То есть мы с помощью нанокапилляра, не дотрагиваясь до клетки, либо, если нужно, проникая внутрь клетки, можем не только ее визуализировать, увидеть, но и измерить множество различных параметров, которые важны в биологии, оценить жизнеспособность этой клетки, воздействовать на нее лекарственными препаратами. Это очень мощный инструмент для исследований. И в том числе с помощью таких методов в этой лаборатории ведутся, например, работы по исследованию болезни Альцгеймера.
Самое крупное подразделение в нашем институте носит название «Лаборатория тканевой инженерии и регенеративной медицины». В рамках этой лаборатории собраны множество различных направлений, связанных с умными полимерными материалами, 3D- и 4Dпечатью. Сюда входят разные самораскрывающиеся конструкции, например на костных имплантатах, а также синтез биокерамики, в основном для костей и стоматологических имплантатов. Биопечать: это направление мы ведем с нашими партнерами компанией 3D Bioprinting Solutions — пионерами отечественной биопечати. К слову, в рамках этой лаборатории самая большая концентрация биопринтеров в России — 10 биопринтеров разного типа. И большинство — это те устройства, которые разрабатывали и создавали сами сотрудники.
— Как вы поддерживаете инновации среди сотрудников и студентов Института, какие меры стимулируют появление новых идей?
Работа в институте построена так, что есть внешний экспертный совет, куда входят эксперты, руководители крупных медицинских организаций, медики, биологи, которые хорошо знают текущее состояние биомедицины в России и в мире. Совет задает глобальные направления работы. Также есть внешний консорциум «Инженерия здоровья», куда на текущий момент входят 17 организаций — несколько университетов, несколько академических организаций, крупнейшие медицинские центры и производственные площадки.
Как это работает. Медицинским организациям важно эффективно лечить людей, а значит, они точно знают, чего сейчас не хватает. Например спинальных кейджей, нейроимплантатов, донорских органов и т. д. И тогда научные организации, университеты в рамках консорциума определяют, что же мы можем сделать общими усилиями. С помощью промышленных площадок определяется, какие есть технологические возможности, что можно вообще производить и какие есть ограничения для того, чтобы выйти на рынок. Вот так совместными усилиями доходим до продуктов. Так что те работы, которые у нас выполняют студенты, максимально практикоориентированны. Они направлены либо на создание какого-то элемента продукта, реального медицинского изделия или медицинского материала, либо лежат в области глобальных трендов, которые очерчены внешним экспертным советом. Я думаю, что это стимулирует и зажигает ребят, что они занимаются не просто некой теоретической или даже просто красивой биологической работой, а делают реальный продукт или двигаются к реальному продукту, который когда-то будет использован.
Но, тем не менее, мы не забываем и про фундаментальные исследования.
На выходе студенты имеют возможность не только защищать обычный диплом, есть также возможность защитить научную статью, написанную в хорошем научном журнале, в качестве диплома. Еще один вариант — диплом как проект. Например надо сделать имплантат уха — покажите, как напечатали его из клеток пациента. У нас студенты как раз напечатали на биопринтере ухо из клеток пациента, и потом оно проходило доклинические исследования на базе Центра оториноларингологии ФМБА России. Сейчас постепенно ребята движутся к внедрению этой технологии в клиническую практику. То же самое по нейроинженерии и так далее.
— С какими этическими дилеммами вы сталкиваетесь?
Самая актуальная дилемма — это как не выпустить ту разработку, в которой еще не уверены, которая не прошла все круги доклинических исследований.
Всегда хочется поскорее, чтобы разработка дошла до конца и стала помогать в клинической практике. Но чтобы этот путь пройти, надо доказать все возможные аспекты, что используется не токсичный материал, что устройство функционально, не навредит человеку, будет работать долгое время, если это имплантат, например, что его характеристики не ухудшатся со временем.
К сожалению, весь этот путь очень длительный — от трех до семи, а то и больше лет. А если используются фармпрепараты, то это может быть еще более долгий и дорогой путь. И всегда есть желание постараться поскорее все это пройти. И это, мне кажется, важная дилемма — быть уверенным в том, что твое изделие никому не навредит и ты точно сможешь помочь. Но для этого надо просто пройти вот эти важные этапы.
— Как развитие биомедицинской инженерии может повлиять на медицину в космосе?
Есть целые институты, которые исследуют факторы космического полета на организм человека, что будет, если проводить хирургические вмешательства в условиях космоса. И тут мы говорим про то, что клетки организма в принципе функционируют по-другому в условиях невесомости, и получается, развитие биомедицинской инженерии может находиться именно в области манипулирования, например, физическими полями или какими-то условиями, которые могут создать условия микрогравитации.
— Как вы видите роль биоинженерии в подготовке человечества к долгосрочным космическим миссиям, например к полету на Марс?
Долгие полеты все-таки сопряжены и со старением организма, и с непредвиденными ситуациями, и с какими-то психологическими нагрузками. А значит, нужны направления, связанные с, условно, долголетием человека, регенеративной медициной, тканевой инженерией и нейротехнологиями. В принципе, все они как раз тоже попадают под общий термин «биомедицинская инженерия». То есть это либо какие-то имплантируемые устройства, которые могут следить за состоянием человека, либо каким-то образом помогать вмешиваться в процессы внутри организма, чтобы что-то простимулировать, проводить одновременную диагностику. Это могут быть нейроинтерфейсы: мозг — компьютер, например. И это тоже связано и с разработкой новых материалов, которые будут находиться внутри достаточно мягких тканей мозгов.
— Что сегодня реально можно напечатать полезное для человека в космос?
Пока ничего, кроме, скажем, плоских органов, кожи, мягких тканей, то есть того, что мы уже делали на Земле. Вообще вся биопечать развивается тремя большими вехами. Первая веха — это печать плоских органов. Вторая — печать трубчатых органов или, например, кровеносных сосудов. А третья — это уже печать функциональных сложных органов. Первая печать непосредственно на пациенте была проведена нами в декабре 2023-го года. И точно могу сказать, что печатать эквиваленты тканей для ранозаживления на человеке уже можно. Это так называемая ин-ситу печать. И это же можно проводить в условиях космического полета — потому что роботические манипуляторы уже используются на борту МКС.
В апреле этого года на МКС методами 4D-биопечати в совместном эксперименте 3D Bioprinting Solutions и МИСИС был сформирован небольшой конструкт будущего кровеносного сосуда. То есть это маленькая трубчатая конструкция размером примерно 5 мм. Можно ли это использовать для пациента сейчас? Нет. Но это первый шаг биофабрикации трубчатой конструкции в космосе. Ну и, соответственно, кто дальше будет развивать это направление, тот уже сможет дойти и до крупных органов. Потому что проблема крупных органов именно в том, что в них должно быть много кровеносных сосудов, чтобы клетки жили и функционировали.
— Какие перспективные технологии вы видите в области биомедицинской инженерии?
Это колоссальная область, сейчас крайне актуально и хорошо развивается направление нейроинженерии. Вообще все, что связано с нейротематикой, как с лечением, например, поврежденного мозга, головного мозга, спинного мозга для реабилитации людей, так и с созданием нейроинтерфейсов. Поэтому это очень важное и актуальное направление, которое может хорошо развиваться, в том числе в России, потому что есть соответствующие специалисты. К слову, мы даже специально открыли магистерскую программу, которая называется «Нейроинженерия и тераностика», чтобы готовить кадры именно под эту отрасль.
Перспективно также направление терапии и диагностики разных социально значимых заболеваний. Это могут быть тест-системы, системы диагностики, потому что чем более ранняя стадия выявления заболевания, тем более точно выявляется, больше возможностей для лечения.
— Скоро мы увидим значимые изменения в космической медицине благодаря новым биомедицинским технологиям?
Горизонт где-то лет 30 — это уже адекватный горизонт. Это связано не только с тем, что технология уже постепенно выходит на нужный уровень клинического применения на Земле. И клинические триалы связаны, например, с использованием биопечати. И соответственно, это можно будет адаптировать в области космической медицины.