Биотехнологии нацелены на создание новых продуктов на основе биологических процессов. Перспективные биотехнологии тесно связаны с науками о мягкой материи, лежащими на стыке физики, химии, наук о материалах и наук о жизни, и изучающими жидкости, флюиды, белки и мембраны, клетки и бактерии. Науки о мягкой материи составляют фундамент биотехнологий будущего, подобно физике твердого тела в микроэлектронике.

В 2020 году объем мирового рынка биотехнологий достиг 752,88 млрд долларов США, среднегодовые темпы с 2021 по 2028 год оцениваются в пределах 15,83 %. По оценкам ОЭСР, к 2030 году биотехнологии будут использоваться в 35 % продукции химической промышленности, 50 % сельскохозяйственного производства, 80 % лекарственных препаратов. Вызовом для системы образования является сильная междисциплинарность, недостаток высококвалифицированных кадров, необходимость эффективного разделения труда и постоянной актуализации R&D-повестки.

В рамках развития настоящего трека будут проведены научные исследования и разработки, созданы новые образовательные программы в кластере инженерии в науках о жизни («Engineering in Life sciences») МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Цель – создание модели организма на чипе (organism-on-a-chip) для ускоренного испытания новых лекарств для лечения онкологических, инфекционных и сердечно-сосудистых заболеваний, борьбы со старением.

Технология «организм-на-чипе» имитирует ткани внутренних органов и биохимические связи между ними, воспроизводит сложные реакции на бактерии и лекарственные препараты. Сегодня созданы отдельные органы-на-чипе (печень, легочная ткань, нейроны, кожа). Вместе с тем, имитация организма-на-чипе остается значимой и нерешенной проблемой.

Сегодня для тестирования фармакологических форм лекарственных средств и новых лекарственных средств применяются протоколы испытаний на животных (в частности, для изучения токсичности, биосовместимости, имуногенности). Этот этап играет ключевую роль в доклинических исследованиях, но сложности связаны с высокой стоимостью, этическими аспектами и длительностью испытаний. Пандемия COVID19 показала масштаб и важность решения проблемы ускорения разработки и испытания новых лекарств и вакцин. Максимально близкая технологическая область к настоящему проекту – микрофлюидная «лаборатория-на-чипе», где основная область применения сегодня – биохимические анализаторы, микрореакторы в синтетической химии (в т.ч. переход к «зеленой» химии).

Анализ исследований по теме «орган-на-чипе» (Web of Science) показал, что опубликована 981 983 статья статьи (2009 год – первая работа), лидер – Гарвардский университет (более 100 91 работа), активно это направление развивается в Университетах Калифорнии (UCLA), MIT и ETH Zurich. При этом анализ показал, что продуктов, готовых к внедрению в реальный сектор экономики не существует.

Ключевые проблемы в этой области можно разделить на «технологические» и «биологические». «Биологические» проблемы включают масштабирование органов, васкуляризацию тканей, создание универсальных сред, получение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК), учёт циркадных циклов в клетках. «Технологические» проблемы включают разработку и создание микрофлюидных чипов, платформ для поддержания стерильности и предотвращения образования пузырей, адсорбции лекарств и связывания с материалом чипа, разницы в скорости потока между платформами, создание заданных уровней оксигенации и состава питательных сред, дизайн самосборки клеток на чипе в тканевые структуры, имитирующие реальные органы, и детальную визуализацию явлений в живых системах.

Технология организма-на-чипе тесно связана с биофабрикацией, микрофлюидными биореакторами и управляемой самосборкой клеток, необходимой для инженерии тканей, воспроизводящих сложное поведение реальных систем на чипе. Исследования в этой области с использованием вращающихся электрических и световых полей, микрофлюидных потоков остаются на ранних стадиях своего развития.