Смоленские учетные представят модель биореактора

Проект, который осуществляется в Смоленске, не имеет прецедентов: уже в этом году здесь планируют завершить работу над действующей моделью биореактора, позволяющего производить неограниченное количество биологической ткани с заданными свойствами.

- Это не только создание искусственных органов, но и получение полноценной искусственной пищи, лекарственных препаратов и даже биологических строительных материалов, - рассказывает доктор медицинских наук, профессор кафедры анатомии человека Смоленской государственной медицинской академии Владимир Глотов. - Такая технология поможет в будущем не только выращивать необходимые органы из здоровых клеток больного человека, но и моделировать любой патологический процесс в организме. Чтобы обеспечить себя мясом, человечество вынуждено выращивать огромное количество крупного рогатого скота, домашней птицы и других животных. Предлагаемая технология позволят выращивать полноценное, хотя и искусственное мясо в заданных количествах.

Владимир Глотов предсказывает, что биореактор можно будет использовать на орбитальных станциях с населением в несколько тысяч человек без зависимости от Земли, при подготовке межпланетных экспедиций на Луну и Марс. Все это - не шутка, не утопия.

Сосуды - основа жизни

Работой этой Владимир Глотов занимается фактически всю сознательную жизнь, со дня поступления в мединститут. По его словам, биологические ткани высших организмов строятся вокруг микрососудистых сетей, по которым циркулирует кровь, позволяющая развиваться ткани и организму в целом; с изменением сети микрососудов, в структуре которой, как обнаружили еще в XIX веке, есть свои закономерности, связаны болезни. Владимир Глотов занимался структурным анализом микрососудистых сетей: разработкой их математической и биофизической модели. Результаты исследований нашли отражение в монографии, опубликованной при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в 1995 году. По этой работе Владимир Глотов защитил докторскую диссертацию, минуя кандидатскую.

На следующем этапе он заинтересовался идеей построения искусственной сети микрососудов. Зарубежные исследователи обнаружили, что клетки эндотелия (плоские клетки, выстилающие внутреннюю поверхность кровеносных сосудов и сердечных полостей), помещенные в питательную среду, способны образовывать трехмерные структуры, похожие на реальные сети микрососудов - правда, без проводящих каналов и ненадолго. Это открытие породило целое направление в западной фармацевтике, связанное с разработкой лекарств для борьбы опухолями, и доискиваться, почему уже сформировавшиеся было сети сосудов неизменно деградируют, никто не стал. Ответ на этот вопрос нашел Владимир Глотов, получив представление о том, каким образом можно искусственно воспроизвести живые ткани.

В условиях конспирации

Этот небывалый смоленский проект не просто находится на стыке наук, в него вовлечены сразу три научных центра! Техническое задание сформулировал доктор Глотов, разработкой компьютерной модели и ее реализацией в "железе" занимаются доктор технических наук, заведующий кафедрой электроники и микропроцессорной техники Игорь Якименко и его аспирант Евгений Найденов из Смоленского филиала Национального исследовательского университета МЭИ, математическое моделирование отдельных процессов проводится в Смоленском государственном университете. Работа идет без лишнего шума, Владимир Глотов даже говорит, что с 2006 года практически не публикует значимые результаты своей работы - в первую очередь потому, что над решением аналогичной задачи бьются ученые по всему миру, и многие из них располагают практически неограниченными финансовыми ресурсами. В Смоленске больших денег не тратят: участники проекта сосредоточились на разработке компьютерной модели биореактора. Таких моделей можно создать бесконечное множество, задать для каждой из них разные параметры, найти таким образом ту, которая выдаст оптимальный результат, и уже ее материализовать.

- Для решения научной задачи такого масштаба и значения во времена Сталина создали бы закрытое конструкторское бюро, "шарашку" с неограниченными возможностями, на нужды которой работала бы вся промышленность страны, - шутит Владимир Глотов. - Мы же решаем задачу по-новому: главный конструктор - аспирант, который занимается этой работой для того, чтобы защититься, под его руководством работают магистры и студенты, которые привлекаются для решения локальных задач, определенных расчетов и разработок, и делают это, чтобы получить зачет.

Заглянуть в глубины

Вольные и невольные участники проекта используют в работе современные средства компьютерного моделирования, позволяющие иметь на выходе проекты микросхем. После соответствующего тестирования, их можно изготовить в любом месте, где есть соответствующие производства, не раскрывая сути создаваемого устройства, и использовать при монтаже.

- С тематикой меня познакомили в декабре 2012 года, когда я писал магистерскую диссертацию, - рассказывает 24-летний главный конструктор биореактора Евгений Найденов. - Я начал с разработки архитектуры системы, и по мере продвижения вперед выяснилось, что несколько блоков, которые здесь необходимы, будут без преувеличения уникальными. Например, система технического зрения, система фильтрации и управления потоками питательной среды, добавление факторов роста и так далее. Скажу честно, в работе по любому из перечисленных направлений открываются такие глубины, что каждая из них впоследствии может стать докторской диссертацией.

Владимир Глотов надеется, что в конечном итоге биореактор с автономным питанием, рассчитанным на год-два работы, связанный с остальным миром по wi-fi, будет не больше обычной телевизионной приставки, но первая действующая модель, конечно, выйдет помассивней - размером с системный блок компьютера.

Побочные продукты

Работы не финансируются ни государством, ни частным капиталом, хотя попытки получить деньги были, а расходы есть, и немалые. Спасает энтузиазм участников проекта, но даже для того, чтобы запатентовать сделанные открытия, требуются немалые деньги.

Любая фундаментальная идея тянет за собой целый шлейф новых открытий, изобретений, технологий, которые, быть может, не найдут применения в биореакторе, но смогут использоваться в медицине. Пример уже есть: еще один аспирант СФ НИУ МЭИ Владимир Смолин, например, занимается разработкой системы, возникшей именно в связи с проектом Владимира Глотова. Врачи давно знают, что о здоровье органов человеческого организма можно судить по количеству свободной воды, которая в нем находится, но использовать это знание в диагностике до сих пор не удавалось - в судебно-медицинское экспертизе, например, состояние тканей оценивают по виду, а количественно их состояние не описывается. Аспирант Смолин эту задачу фактически решил, и в скором будущем врачи получат не только новый инструмент диагностики болезней, но и, быть может, новые лекарства, способные восстанавливать оптимальное количество воды в конкретном органе.

Не участие, а победа

Базовая компьютерная модель биореактора практически готова, в этом году она будет воплощена в "железе", после чего нужно будет начинать испытания. Заниматься этим в Смоленске не получится - нет необходимой научной базы, нет нужных специалистов и оборудования, так что обкатывать модель в реальных условиях нужно будет в серьезных научных лабораториях, владеющими клеточными технологиями. По мере корректировки технических условий, изменения будут вноситься сначала в компьютерную модель, а потом - и в действующий биореактор.

Еще начиная работу над моделированием биореактора, участники проекта небезосновательно считали, что располагают достаточным количеством времени для завершения проекта. Однако в конце 2013 года коллаборация корейских ученых сообщила об успешном воспроизведении в пробирке феномена саморазвивающихся эндотелиальных капиллярных сетей, чему была посвящена опубликованная в 1996 году монография Владимира Глотова. Это означает, что в сфере клеточной и тканевой инженерии началась мировая гонка за первенство в получении искусственных живых тканей. Сумеет ли России удержать за собой пальму первенства в разработке биотехнологий или идеи наших ученых снова будут воплощены в жизнь за границей?