Биопечать тканей в фармацевтике и химии: опыт производителей

1. 1
   Около 90 % кандидатов в лекарства, вошедших в клинические испытания, не доходят до регистрации; примерно в 30 % случаев причина - токсичность, в 40-50 % - отсутствие эффекта. Напечатанная ткань человека помогает увидеть часть таких провалов до клиники.
2. 2
   Organovo и Roche напечатали ткань печени из трёх типов клеток человека. Она заметила вред отозванного антибиотика тровафлоксацина в клинически значимых дозах, до 4 мкМ, а плоская культура тех же клеток - только при 100 мкМ.
3. 3
   Inventia и MSD с 2023 года печатают на RASTRUM трёхмерные модели мозга для доклинического скрининга кандидатов при болезнях Альцгеймера и Паркинсона.
4. 4
   Aspect Biosystems и Novo Nordisk делают из напечатанной ткани само лекарство от диабета: 75 млн долларов первых платежей и до 650 млн долларов за каждый продукт при достижении этапов.
5. 5
   Poietis и BASF с 2017 года автоматизируют печать модели кожи Mimeskin для проверки ингредиентов без животных.
6. 6
   В химии биопринтер печатает гидрогелевые решётки с ферментами: проточный реактор KIT стабильно работал 72 часа, а с одним из ферментов - до 10 суток.
7. 7
   Группа Вэй Суня, основателя SunP Biotech, в 2014 году напечатала модель опухоли, которая сопротивлялась химиотерапии сильнее плоской культуры. Биопринтеры SunP мы поставляем в Россию.

Разработка лекарства - воронка с очень узким горлом. В обзоре Дусина Суня и соавторов (Acta Pharmaceutica Sinica B, 2022) разобраны клинические испытания 2010-2017 годов: доля успеха держится на уровне 10-15 % от вошедших в клинику кандидатов. Из неудач 40-50 % приходятся на отсутствие клинического эффекта, около 30 % - на неуправляемую токсичность, 10-15 % - на плохие свойства самой молекулы, около 10 % - на коммерческие причины. Каждая такая неудача обнаруживается на людях, после лет работы.

Слабое место - модели, на которых молекулу проверяют до клиники. Плоская культура клеток в чашке быстро теряет свойства органа: гепатоциты, основные клетки печени, за пару недель перестают работать как печень. Животное - целый организм, но не человеческий, и его метаболизм часто отличается. Напечатанная ткань занимает промежуточное место: она из клеток человека, трёхмерная и собрана в заданной архитектуре, с несколькими типами клеток в нужных местах. Поэтому именно печать, а не просто выращивание в геле: принтер раскладывает клетки так, как они расположены в органе.

Регуляторы двигаются в ту же сторону. В Евросоюзе испытания косметических ингредиентов на животных запрещены с 2009 года, а с 11 марта 2013 года действует полный запрет на продажу косметики, ингредиенты которой испытывали на животных; реконструированная кожа стала основным инструментом оценки безопасности. В США закон FDA Modernization Act 2.0, подписанный в конце 2022 года, заменил в требованиях к заявке на лекарство «доклинические тесты, включая тесты на животных» на «неклинические тесты» и прямо назвал среди них клеточные анализы, микрофизиологические системы и напечатанные модели. Испытания на животных закон не запрещает, но перестал считать их единственным вариантом.

Organovo и Roche: печень, которая заметила опасный антибиотик

Американская Organovo - один из первых производителей тканей на биопринтере. В 2016 году её специалисты вместе с исследовательским центром Roche в Базеле опубликовали в PLoS ONE работу о напечатанной печени для оценки лекарственного поражения печени (Nguyen и соавторы, 2016). Её до сих пор приводят как главный аргумент в пользу напечатанных тканей в токсикологии.

Ткань печатали на биопринтере NovoGen из трёх типов клеток человека: гепатоцитов, звёздчатых клеток печени и клеток эндотелия сосудов. Гепатоциты укладывали плотной клеточной пастой без геля, остальные клетки - в гидрогеле NovoGel, который служил разделителем зон. Печать шла прямо на мембраны вставок 24-луночного планшета. Через несколько дней ткань уплотнялась до структуры толщиной не меньше 250 мкм без собственного каркаса: межклеточное вещество клетки выделяли сами.

Напечатанная печень выделяла альбумин с первого дня, выработка росла до 14-го дня и держалась на плато до конца наблюдения, 28-го дня. Ферменты семейства цитохрома P450, которые перерабатывают лекарства, сохраняли экспрессию и активность все четыре недели. Плоская культура гепатоцитов того же донора после двух недель резко теряла и альбумин, и запас энергии клеток (АТФ), а к четвёртой неделе альбумина почти не давала.

Главная проверка - тровафлоксацин. Этот антибиотик отозвали с рынка через год после одобрения: у небольшой части пациентов он вызывал печёночную недостаточность, были смертельные случаи. Стандартные доклинические модели этого не предсказали. Напечатанную ткань 7 дней ежедневно обрабатывали тровафлоксацином и его безопасным родственником левофлоксацином в одном и том же ряду доз.

Тровафлоксацин вызвал значимую дозозависимую токсичность в клинически значимых дозах, до 4 мкМ, а выработка альбумина падала больше чем вдвое уже при дозах меньше 1 мкМ. Левофлоксацин снижал альбумин только на верхней дозе, 100 мкМ, и не трогал АТФ. Плоская культура гепатоцитов при той же схеме показала вред тровафлоксацина тоже только при 100 мкМ, то есть при дозе в 25 раз выше верхней границы клинически значимых. Важная деталь: ткань заметила вред без клеток Купфера и без воспалительного стимула, без которых тровафлоксацин на грызунах не проявлялся.

Сама Organovo с тех пор сменила профиль: сегодня это биотехнологическая компания клинической стадии, а в марте 2025 года она закрыла продажу своей программы FXR с препаратом FXR314 компании Eli Lilly. Работа с Roche остаётся показательным примером того, что напечатанная печень умеет в токсикологии, но готовой коммерческой модели печени от Organovo сегодня не купить.

Poietis, BASF и L'Oréal: кожа для проверки ингредиентов

Косметика - это прежде всего химия: тысячи ингредиентов, каждый нужно проверить на раздражение и аллергию, не используя животных. L'Oréal выращивает реконструированную кожу для таких тестов около 30 лет, а в мае 2015 года объявила о партнёрстве с Organovo по напечатанной коже для оценки продуктов.

Французская Poietis пошла другим путём - лазерной биопечатью: импульс лазера переносит микрокапли с клетками с донорного стекла на подложку без сопла и без механического контакта. С 2015 года Poietis разрабатывала модели кожи вместе с немецким химическим концерном BASF, а в октябре 2017 года компании объявили соглашение: сначала автоматизировать производство модели кожи BASF Mimeskin, затем добавлять в неё новые типы клеток - пигментные меланоциты и клетки волос. С L'Oréal Poietis с 2016 года работала над печатью волос.

С октября 2026 года Poietis называется NGB Biosystems. Её исследовательский биопринтер NGB Biosystems NGB-R есть у нас в каталоге: лазерная печать в боксе биологической безопасности, от одной до примерно пятидесяти клеток в капле, проверка более чем на 40 типах клеток, жизнеспособность после печати до 95 %. Среди задач платформы - модели тканей для скрининга лекарств и для косметики.

Почему химику нужна именно печать, а не ручное выращивание кожи? Ручная модель - это работа лаборанта, и от партии к партии она отличается. Печать делает модель воспроизводимой и масштабируемой: когда ингредиентов тысячи, тест должен давать одинаковый результат каждый раз.

Inventia и MSD: мозг в планшете

Австралийская Inventia Life Science сделала биопринтер RASTRUM не для органов, а для фармацевтического конвейера: он печатает трёхмерные клеточные модели прямо в лунки стандартных планшетов. Принцип - капельная печать по требованию, как у струйного принтера: до 1 000 капель в секунду объёмом 20-25 нл. Вместо животного матрикса используются синтетические гидрогели на основе полиэтиленгликоля. Для скрининга это главное: тысячи одинаковых моделей, которые можно дозировать роботом.

В феврале 2023 года Inventia объявила о сотрудничестве с MSD (торговое имя Merck & Co. за пределами США и Канады): на RASTRUM создаются трёхмерные модели мозга для доклинического скрининга кандидатов при нейродегенеративных заболеваниях, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона. Цель, как говорит основатель Inventia Хулио Рибейро, - модели, которые лучше переносятся на человека и закрывают разрыв между опытами в пробирке и на животных. Финансовые условия и результаты в пресс-релизе не раскрыты.

Высокопроизводительная модель платформы - Inventia RASTRUM Allegro у нас в каталоге. Шаг печати клеток занимает 6 минут на 96-луночный планшет и 9 минут на 384-луночный, за 8-часовую смену прибор выпускает больше 35 планшетов. Коэффициент вариации после печати внутри планшета и между планшетами ниже 10 %: в скрининге различия должны давать препараты, а не печать.

SunP Biotech: модели опухолей

Группа профессора Вэй Суня в Университете Цинхуа в 2014 году напечатала трёхмерную модель опухоли шейки матки из клеток HeLa в смеси желатина, альгината и фибриногена (журнал Biofabrication). Жизнеспособность клеток после печати превысила 90 %. В напечатанной решётке клетки быстрее делились и собирались в сфероиды, сильнее выделяли металлопротеиназы и сильнее сопротивлялись химиотерапии, чем в плоской культуре, - как в настоящей опухоли. Это ровно то, что нужно фармакологу: модель, на которой препарат, сработавший в чашке, может честно провалиться до клиники.

Вэй Сунь основал компанию SunP Biotech, и модели для скрининга лекарств и исследования терапии опухолей она называет среди основных применений своих биопринтеров, от настольных BioMaker до напольных систем ALPHA. Метод построения^® - официальный дилер SunP в России. Подробнее о компании и её основателе - в нашей статье о Вэй Суне и биофабрикации.

Настольный SunP BioMaker 2i мы поставили в Южный федеральный университет: там на нём печатают клетки растений (проект ЮФУ). Хорошая иллюстрация того, что одна платформа работает и в фармацевтических моделях, и в растениеводстве: меняются клетки и биочернила для биопринтера, а не сам прибор.

Самый смелый фармацевтический пример - когда напечатанная ткань не помогает разрабатывать лекарство, а сама становится им. Канадская Aspect Biosystems построила платформу из собственной технологии биопечати, терапевтических клеток, биоматериалов и компьютерного проектирования. Задача - имплантируемые ткани, которые восполняют утраченную функцию органа и защищены оболочкой от иммунной атаки.

В апреле 2023 года Novo Nordisk получила эксклюзивную мировую лицензию на технологию Aspect для разработки до четырёх продуктов против диабета и ожирения. Aspect получила 75 млн долларов первых платежей - авансом, финансированием исследований и инвестицией в виде конвертируемого займа - и может получить до 650 млн долларов за каждый продукт при достижении этапов разработки, регистрации и продаж плюс роялти (пресс-релиз Aspect Biosystems). Первая цель - ткань, которая поддерживает нормальный уровень глюкозы при диабете первого типа без подавления иммунитета.

В январе 2026 года союз перестроили: Aspect получила права на технологии Novo Nordisk по островковым клеткам из стволовых клеток и по «гипоиммунным» клеткам, которые не замечает иммунная система, и возглавила разработку, производство и вывод на рынок. Novo Nordisk сделала дополнительную инвестицию в капитал и сохранила опционы на поздние стадии. Суммы новой сделки и дата начала клинических испытаний не раскрыты.

Ферменты - очень избирательные катализаторы: они проводят реакцию с нужной пространственной конфигурацией продукта при комнатной температуре и в воде. Чтобы использовать их в проточном производстве, фермент надо закрепить, чтобы его не уносило потоком, - это называется иммобилизация ферментов. Классический путь - пришивать фермент к носителю химической связью, но под каждый фермент протокол подбирают заново, и активность при этом теряется. Группы Технологического института Карлсруэ (KIT) и исследовательского центра Юлиха пошли другим путём: заперли ферменты в напечатанный гидрогель (Schmieg и соавторы, 2019).

Решётки 13 × 13 × 3 мм с шагом нитей 1,5 мм печатали экструзией на биопринтере regenHU 3D-Discovery из геля на основе полиэтиленгликольдиакрилата с нанoглиной Laponite и сшивали ультрафиолетом. Для двух ферментов ферменты даже не очищали: в гель добавляли сырой клеточный экстракт. Корпус реактора с камерой 3 мл напечатали на обычном фотополимерном принтере струйного нанесения материала (PolyJet). Проверили три фермента в четырёх реакциях, включая двухстадийный каскад с получением хиральных спиртов - типичных строительных блоков для фармацевтики.

Все четыре системы стабильно давали продукт в проточном режиме 72 часа, а β-галактозидаза работала до 10 суток - больше 200 объёмов реактора. Конверсия у алкогольдегидрогеназы достигла около 90 %, у карболигазы около 40 %, у β-галактозидазы 25-30 %. Но авторы честно показали и предел метода: эффективность фермента в геле составила лишь 6-14 % от свободного. Субстрат не успевает продиффундировать вглубь нитей, и чем активнее фермент, тем сильнее он «голодает».

Рядом с биокатализом развивается печать самих лекарственных форм экструзией полутвёрдых паст: тот же шприц, что в экструзионном биопринтере, только вместо клеток - действующее вещество. В работе Академии Або (Финляндия, 2025) так напечатали по 144 таблетки пропранолола, спиронолактона и преднизолона разных доз для детей; однородность, стабильность до 9 месяцев и растворение уложились в требования. Под такие задачи REGENHU выпускает конфигурацию биопринтера REGENHU R-GEN 100 для печати таблеток с несколькими действующими веществами.

Отраслевые задачи этого направления, от лабораторной оснастки до прототипов аппаратов, мы собрали на странице 3D-печати для химии и фармацевтики.

Обратите внимание на правый столбец. Цифры есть там, где проект прошёл путь научной статьи: Organovo, KIT, группа Вэй Суня. Промышленные партнёрства с MSD, Novo Nordisk и BASF известны по пресс-релизам, а их результаты остаются внутри компаний. Для фармацевтики это нормально, но при выборе метода и оборудования мы бы опирались на публикации с цифрами, а не на громкие имена партнёров.

Самое сильное в этих примерах - биопринтер работает не на далёкое будущее, а на сегодняшний конвейер. Модель печени, которая ловит токсичность в реальных дозах, нужна фармакологу уже сейчас, а не через двадцать лет, когда научатся печатать органы для пересадки. Поэтому за биопечатью стоят компании, которые считают каждый доклинический доллар.

Впечатляет точность постановки вопроса у Organovo и Roche. Авторы взяли не случайный препарат, а пару: опасный тровафлоксацин и близкий по строению безопасный левофлоксацин. Модель должна была не просто «реагировать», а различить их, причём в дозах, которые реально бывают в крови пациента. Проверка на веществах с известным ответом - образец того, как стоит валидировать любую новую модель.

И честность химиков из KIT. Статья могла бы закончиться на «реактор работает 10 суток». Вместо этого авторы посчитали, что фермент в геле работает лишь на 6-14 % своей мощности, и объяснили почему. Это превращает красивую демонстрацию в инженерную задачу с понятным направлением: тоньше нити, больше пор, иная геометрия решётки. Её можно оптимизировать так же, как геометрию детали в 3D-печати.

1. 1
   Начните с задачи, а не с принтера. Токсикология, скрининг, модели болезни, биокатализ или проверка ингредиентов требуют разной печати: капельной, экструзионной или лазерной.
2. 2
   Выберите проверочные вещества с известным ответом, как пара тровафлоксацин и левофлоксацин у Organovo. Модель, которая не различает известные случаи, не стоит переносить на новые молекулы.
3. 3
   Сравнивайте напечатанную модель с тем, что используете сейчас, плоской культурой или данными на животных, в одних и тех же дозах и по одним и тем же показателям.
4. 4
   Для скрининга думайте о воспроизводимости и производительности: стандартные планшеты, одинаковые от партии к партии модели, совместимость с дозирующими роботами.
5. 5
   В химии считайте не только время работы реактора, но и эффективность катализатора и массоперенос: геометрию напечатанной решётки можно менять от опыта к опыту.

Где применяют биопечать тканей в фармацевтике?

В трёх ролях. Первая - модели тканей для доклинической токсикологии: напечатанная печень или кожа показывает, повреждает ли их молекула. Вторая - модели болезней для скрининга кандидатов: опухоли, ткань мозга в планшетах. Третья - сама напечатанная ткань как лекарство, например имплантируемая ткань с клетками, вырабатывающими инсулин, которую разрабатывают Aspect Biosystems и Novo Nordisk.

Чем напечатанная модель печени лучше обычной культуры клеток?

Клетки в трёхмерной ткани дольше сохраняют функции органа и реагируют на лекарства в реалистичных дозах. В работе Organovo и Roche напечатанная печень держала альбумин и ферменты цитохрома P450 четыре недели и показала гепатотоксичность тровафлоксацина в клинически значимых дозах до 4 мкМ, а плоская культура - только при 100 мкМ.

Заменят ли напечатанные ткани испытания на животных?

Частично уже заменяют. В ЕС косметику, ингредиенты которой испытывали на животных, продавать нельзя, и реконструированная кожа стала основным инструментом оценки. В США закон 2022 года прямо допустил напечатанные и клеточные модели среди неклинических тестов для заявки на лекарство. Полностью заменить исследования на животных напечатанные ткани пока не могут, но сокращают их число и отсеивают неудачные молекулы раньше.

Как биопринтер применяют в химии?

Например, для биокатализа: в KIT ферменты заключили в напечатанные гидрогелевые решётки и поставили их в проточный реактор, который стабильно работал 72 часа, а с одним ферментом - до 10 суток. Ещё одно направление - модели кожи для проверки химических и косметических ингредиентов, которые развивают BASF и Poietis.

Какой биопринтер нужен фармацевтической лаборатории?

Зависит от задачи. Для скрининга в планшетах важны скорость и воспроизводимость капельной печати, для тканевых моделей и каркасов - экструзия нескольких материалов с контролем температуры, для биокатализа - печать вязких гидрогелей со сшиванием светом, для чувствительных клеток пациента - печать без сопла. Начинать стоит с задачи и набора проверочных веществ, а не с выбора модели.

Биопечать тканей уже работает в фармацевтике и химии, но в трёх разных ролях: модель безопасности, модель болезни и сама ткань как лекарство. Самые убедительные результаты там, где есть публикация с цифрами: печень Organovo и Roche различила опасный и безопасный антибиотик в реальных дозах, ферментный реактор KIT проработал до 10 суток и честно показал свои 6-14 % эффективности. Крупные партнёрства с MSD, Novo Nordisk и BASF показывают, куда идут деньги, но их результаты пока внутри компаний.

Для лаборатории это значит одно: выбирать способ печати под задачу и проверять модель на веществах с известным ответом. Капельные, лазерные и экструзионные приборы собраны в разделе биопринтеров нашего каталога. Если нужно подобрать конфигурацию под токсикологию, скрининг или биокатализ, напишите нам через контакты: разберём задачу и предложим варианты.