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:
литературный обзор по научной проблеме;
анализ рынка и конкурентов;
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:
Flask в качестве веб-сервера;
Celery для управления задачами;
numpy/scipy/matplotlib/pandas для обработки данных и визуализации;
gmsh для построения расчетных сеток;
Firedrake для решения уравнений;
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.