Как биотехнологии влияют на медицину будущего

15 апреля отмечался Международный день биомедицинской лабораторной диагностики. Биоматериаловедение давно вышло за рамки узкой научной области. Сегодня от него напрямую зависит развитие персонализированной медицины будущего — от имплантатов и систем доставки лекарств до биофабрикации живых тканей.

Доктор физико-математических наук, директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Фёдор Сенатов, рассказал о том, какие решения уже внедрены в медицинскую практику, где наука упирается в физику и биологию, а также почему для биоматериаловедения нужны инженеры нового «М-типа».

Научный подход к здоровью

Технологии проникают в ежедневную медицинскую практику при выполнении трёх условий: эффективности, воспроизводимости и масштабируемости.

С одной стороны, уже существуют решения, которые доказали свою клиническую эффективность: покрытия имплантатов, гидрогели, системы доставки лекарств. С другой — активно развивается производство и цифровые технологии, позволяющие изготавливать изделия под конкретного пациента. Цифровое моделирование, например, уже позволяет создавать индивидуальные имплантаты на основе КТ и МРТ. Такие подходы применяются в клинической практике и показывают высокую точность и предсказуемость результата.

Безопасность, масштабируемость, соответствие высоким стандартам

Современные биотехнологи создают «умные» материалы, свойства которых можно заранее программировать, меняя их под действием нагрузки, температуры или биохимической среды. Внедрение современных сердечно-сосудистых стентов позволило снизить смертность в 2–3 раза у пациентов с инфарктами и инсультами. Это миллионы людей, которые вернулись к нормальной жизни благодаря науке.

Путь от лабораторного прототипа до полноценного медицинского изделия никогда не бывает быстрым. Дело в совокупности факторов. Первый и ключевой из них — требование к безопасной и стабильной работе, то есть сохранять в организме заданные свойства в течение требуемого времени и, главное, не вызывать нежелательных реакций со стороны иммунной системы. Нам же необходимо этот процесс заранее проконтролировать от начала и до конца в лабораторных условиях.

Второй фактор — масштабируемость. Создать единичный образец относительно просто. Гораздо сложнее воспроизвести его в промышленном масштабе так, чтобы каждое изделие обладало теми же свойствами, той же внутренней структурой и тем же уровнем стерильности. На этом этапе многие перспективные разработки сталкиваются с рядом ограничений.

И, наконец, последнее требование — соответствие существующим медицинским стандартам. В области биоматериалов они значительно строже, чем в классическом материаловедении. Здесь недостаточно показать, что материал просто работает — необходимо доказать, что его эффект стабилен, воспроизводим и предсказуем на протяжении всего срока службы.

Что должен уметь современный биотехнолог?

Междисциплинарный специалист «М-типа» должен разбираться в основах клеточной биологии и иммунологии, понимать свойства материалов — от полимеров до нанокомпозитов, владеть такими методами анализа, как спектроскопия, микроскопия и механические испытания. Не менее важны и «гибкие» навыки. Проекты почти всегда реализуются в команде с клиницистами, инженерами и специалистами по данным, нужно уметь использовать цифровые модели и аналитические инструменты. В одиночку в этой области сегодня не работает никто.

Биотехнологу необходимо понимать механику материалов, основы биологии и особенности медицинского применения, так как именно на их пересечении рождаются нужные решения. Поэтому, например, в Университете МИСИС в рамках пилотного проекта по совершенствованию национальной системы высшего образования создана особая программа — «Биоматериаловедение», где обучение выстроено на стыке материаловедения, биологии и медицины. Второй уровень специализированного высшего образования ориентирован на конкретные научные и инженерные задачи: от нейроинженерии и тераностики до инжиниринга медицинского оборудования. Эти программы дают системное понимание современных методов исследования и учат работать в междисциплинарных командах. Таким образом, выпускаются уникальные специалисты, способные создавать перспективные материалы для сбережения здоровья миллионов людей.