Автор: Екатерина Хананова. Кэтрин Вилински-Мазур вместе с командой стартапа Spheroid Revolution разрабатывает программное обеспечение для 3D-биопринтинга живых тканей и органов. Решение должно позволить создавать на биопринтере мясо и рыбу для употребления в пищу, а также, в перспективе, печатать живые органы для пересадки. Авторы заявляют, что в России их технология не имеет аналогов. Информационная служба Хабра взяла интервью у Кэтрин, чтобы поговорить о стартапе, технологии и перспективах биопринтинга.

Для начала немного представим стартап. Spheroid Revolution занимается комплексной разработкой оборудования и программного обеспечения для трёхмерной биопечати. Всё это направлено на моделирование и симуляцию ключевых процессов построения биопечатных тканей и органов. Цель разработки — повышение эффективности и масштабирование технологии 3D-биопечати. Также компания занимается разработкой ПАК (программно-аппаратного комплекса) полного цикла для биопечати.

Над проектом работают 14 человек. Большая часть команды — исследователи или студенты Сколковского института науки и технологий. Сотрудники Spheroid Revolution проводят постоянные исследования в области физических процессов, происходящих при печати органических тканей сфероидами, результаты которых активно публикуются в ведущих научных журналах мира. Решения компании в первую очередь направлены для использования в здравоохранении и персонализированной медицине. Кроме того, одни из ключевых пользователей — научно-исследовательские институты и компании-производители оборудования и программного обеспечения для 3D-биопринтинга.

«Многоклеточные сфероидные агрегаты (сфероиды) — новый строительный материал для биопечати тканей и органов. С ростом сфероида возрастает вероятность некроза внутренних клеток, что препятствует их использованию для печати. Мы предлагаем инновационную программу, оценивающую качество сфероидов, решая задачу minimax(max размер,min некроз) методом неинвазивного контроля клеток и способствующую получению сфероидов в требуемом размерном диапазоне. Прототип апробирован в лаборатории 3D Bioprinting Solutions. Цель разработки — повышение эффективности и масштабируемости технологии 3D-биопринтинга», — указано в карточке проекта.

Как и когда вы решили заняться разработкой ПО для биопринтинга? Что вас вдохновило?

Я решила запустить свой стартап в 2020 году в процессе обучения на курсах по Инновациям профессора Кулиша и Николаева в «Сколтехе» — поняла, что пришёл «тот самый момент». Сама идея зародилась ещё в 2018 году, когда я «влюбилась» в биопечать, которая была для меня на тот момент очень новой и жутко интересной областью. Чем больше я узнавала об этой области науки от учёных, с которыми общалась, из статей, которые читала, тем больше это меня вдохновляло. Сам запуск проекта, тот самый симбиоз, когда вдохновение приходит уже не только от самой идеи и базы знаний об области науки, а также и от осознания того, что рядом с тобой люди, которые так же, как и ты, горят общим с тобой делом и готовы идти в данном направлении, несмотря на всевозможные трудности, произошёл в 2021 году. Для запуска проекта очень важна команда — так что точкой отсчёта я считаю именно 2021 год.

В идеальном варианте что на выходе должен представлять собой продукт?

ПАК для биопринтинга — программно-аппаратный комплекс, совмещающий в себе сам биопринтер, управляемый ИИ с системой компьютерного зрения, с ПО, моделирующим выживаемость биоконструкта ещё до печати, направленным на оптимизацию процесса биопринтинга.

Кто входит в команду стартапа? Вы сотрудничаете с зарубежными партнёрами?

В команду стартапа в основном входят аспиранты и магистранты «Сколтеха», но также в команде с нами работают и люди, не относящиеся к «Сколково» по основной работе. В текущей политической обстановке мы перефокусировались на восточные рынки и на данный момент налаживаем сотрудничество с зарубежными компаниями. В приоритете — MENA.

С чего началась работа?

Работа началась с изучения текущего состояния технологий. Поскольку мы уже знали, что проблема действительно существует, мы начали с глобального теоретического исследования:

1. литературный обзор по научной проблеме;
2. анализ рынка и конкурентов;
3. поиск похожих решений.

Параллельно с этим мы общались с большим количеством потенциальных клиентов для фальсификации рабочих гипотез и уточнения требований к продукту.

Для обучения оценке качества биоматериалов вы используете собственные исследования или берёте за основу уже существующие?

Мы не обучаем «оценке качества биоматериалов», даже не планировали, и не собираемся. Это бессмысленно. Мы решаем дифференциальные уравнения в частных производных. Задача состоит в подборе оптимальных условий для печати и рекомендации поправок в экспериментальный процесс. В самом простом случае мы не используем машинное обучение вообще, только решение уравнения диффузии с заданными граничными и начальными условиями. В этом случае экспериментальные данные берутся из статей.

Машинное обучение в рамках проекта нужно для решения конкретных узких задач, например для отслеживания ошибок печати в реальном времени методами компьютерного зрения. Для решения этих задач мы ставим эксперименты сами, поскольку в открытом доступе данных по артефактам биопечати нет.

Опишите как можно подробнее технические моменты: на чём пишете и тестируете.

Пишем бэкэнд и scientific computing на Python, фронтенд — на React. В качестве CAD-системы используем OpenSCAD.

Python-стек:

1. Flask в качестве веб-сервера;
2. Celery для управления задачами;
3. numpy/scipy/matplotlib/pandas для обработки данных и визуализации;
4. gmsh для построения расчетных сеток;
5. Firedrake для решения уравнений;
6. OpenCV и Pytorch для компьютерного зрения.

В декабре прошлого года на МКС отправили прототип биопринтера, печатающего пластыри из человеческих клеток прямо на теле. На ваш взгляд, насколько введение подобных биопринтеров в широкий оборот реально в обозримом будущем?

In situ bioprinting сейчас — самая близкая к продакшену область медицинской биопечати. В обозримом будущем внедрение в широкий оборот вполне реально, большая часть проблем с внедрением связана с регуляциями в сфере медицинских приборов.

Вы упоминали, что ваша технология позволит создавать искусственное мясо и рыбу. В первую очередь в таких вопросах интересует соотношение цены и затрат на производство. Будет ли это дешевле и выгоднее для производителя? Вы уже думали о сотрудничестве с производителями для тестирования технологии?

Технология 3Д-Биопечати для искусственного мяса точно уже не является новой. На эту тему можно прочитать статью про печать искусственного стейка вагю от учёных из университета в Осаке. Идея использовать технологию печати для создания продуктов питания естественно вытекает из понимания всех возможностей биопечати. С одной стороны, производить в лаборатории мышечные и жировые клетки существенно легче, чем ткани и органы для имплантации. В первую очередь это связано с требованиями к продукту. Если для клеточных структур в медицине требуется выполнение всех основных функций (сокращение, возбуждение, ассимиляция, рост, репродукция и так далее), то для мышечных волокон требуется только повторение их структуры. В связи с этим, когда мы говорим о масштабируемом производстве мяса таким способом, то это намного ближе и проще по исполнению.

Говоря о цене, надо вспомнить, что помимо печати био-чернилами мы должны подготовить сырьё из клеток. Можно использовать мышечные клетки сразу или же виды стволовых клеток, однако последние требуют большой подготовки. Потребуется большое время для культивации, инкубации и дифференциации стволовых клеток. Весь этот процесс трудозатратен и говорить о том, что в будущем мы свободно будем покупать мясо, созданное искусственным путём, в ресторане, очень сложно. С существующими технологиями цена будет слишком высока для обывателей. Однако исследования в биопечати проводятся в большем масштабе, чем десять лет назад. И одна из ключевых задач — как раз снижение затрат на производство такого вида искусственных продуктов питания. Для нас же сейчас важно работать с той областью, где функционирование и выживание клеточных структур обязательно. Однако мы никогда не отворачивались от этой идеи, особенно из-за её популярности.

Возможно ли напечатать на биопринтере искусственные органы и ткани для пересадки человеку? Понятно, что в теории такой вариант обсуждается уже по меньшей мере 10 лет. Но стоит ли ожидать полноценного появления и введения в медицину этой технологии в течение тех же 10–20 лет? Ваша технология поможет ускорить этот процесс?

Наша технология поможет ускорить этот процесс. Однако на процесс медицинской сертификации, который довольно длителен, мы повлиять не можем, так что в любом случае от момента разработки до момента клинического внедрения надо закладывать лет 10. Думаю, полноценное появление биопечати органов для пересадки человеку повсеместно возможно в течение 20–30 лет, не меньше. Однако у биопечати есть много других приложений, внедрение которых возможно в ближайшие годы: например биопечать тестовых систем для разработки косметологии, химии, биопечать в целях регенеративной медицины (in situ bioprinting), и на них мы делаем акцент в настоящий момент. В планах также развить направление биопечати еды.

**Как вы оцениваете прошлое, текущее и будущее развитие сферы биопринтинга в России? **

Рынок биопринтинга по существующим меркам зародился недавно, около 15–20 лет назад. В мире уже есть несколько крупных компаний в этой области, как Organovo, BioCad. В России уже имеется относительна взрослая и известная в мире 3D Bioprinting Solutions. Однако помимо нас сложно найти ещё компании на родине, которые занимаются биопечатью. В основном всё на уровне локальных исследований в ведущих лабораториях.

Если мы будем сравнивать с миром, то количество инвестиций в эту область в России не слишком велико из-за её непопулярности, по нашему мнению. Даже мировой рынок 3Д-Биопечати составляет около 500 миллионов долларов, что на самом деле не очень большая цифра. Но рост рынка более 22%, что невероятно много даже для БиоТеха. И тут мы смотрим на эту картину с позитивом, так как в России хорошая база для исследований в этой области. В первую очередь, это DeepTech, что уже усложняет создание продукта. И в России без государственной поддержки в области финансирования и сертификации будет сложно. И такая поддержка есть, в нашем случае в лице фонда «Сколково», резидентом которого мы являемся. Как говорится, кто ищет, тот всегда найдёт.

Если смотреть в будущее биопечати в России, конечно, всё будет зависеть от интереса крупных компаний и медицинских центров. Если технология будет действительно востребована здесь, а на это имеются все причины с учётом уже готовых экспериментов в биопечати, то и Россия на рынке биопечати будет явно не в конце и не в середине списка.