Российские ученые разработали биопринтер «Орган.Авт», который позволит создавать живые микроорганы и ткани в условиях космической лаборатории. Среди целей проекта — развитие технологий биопечати, оценка влияния радиации на развитие клеток, а также тестирование новейших лекарств. Запуск корабля с принтером на МКС запланирован на 11 октября 2018 года.
Техника лепки снежка
Космический биопринтер — это принципиально новое устройство, работа которого основана на технологии магнитной левитации. Именно она позволяет ему эффективно создавать живые ткани и микроорганы в условиях невесомости. При этом основное отличие новой установки от земных аналогов кроется в самой сути метода биопечати.
Если обычные биопринтеры создают ткани послойно (используя в качестве связующих веществ гидрогели), то «Орган.Авт» печатает объекты сразу со всех сторон по принципу лепки снежка. По словам его разработчиков, это один из самых передовых методов, который только начинает применяться в технике. При этом использование новой технологии в космических условиях избавит ее от значительного недостатка — необходимости использования высоких концентраций токсичных парамагнетиков (солей гадолиния), которые нужны для проведения экспериментов на Земле. В конечном итоге это заметно повысит выживаемость создаваемых клеточных структур.
Первый космический
Создателем инновационного устройства выступила лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions, основанная медицинской компанией INVITRO в 2013 году. Ее специалистами под руководством профессора Владимира Миронова летом 2014 года был создан первый отечественный биопринтер. Рабочий прототип появился осенью 2016 года, после чего начались его испытания, включавшие пробные работы в невесомости.
Для имитации космических условий в пределах земной лаборатории ученые воспользовались сверхмощной магнитной установкой университета Неймегена (Нидерланды), с помощью которой создавался эффект микрогравитации (индукция использовавшихся при эксперименте магнитов составляет огромные 19 тесла). Важно отметить, что для финансирования данного испытания компанией 3D Bioprinting Solutions был получен грант Евросоюза, и его успешный результат оправдал значительные вложения — разработчики увидели, каким образом принтер будет вести себя на МКС и произвели все необходимые настройки.
— В рамках испытаний биопринтера мы использовали три основных подхода, — рассказывает соучредитель и управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Первый из них — это тестирование устройства в земных условиях с применением слабых магнитов при высоких концентрациях солей гадолиния для формирования магнитной ловушки. Затем мы снизили концентрацию этих веществ на два порядка и создали необходимую микрогравитацию с помощью супермагнитов (это наш эксперимент в Нидерландах). Третий и самый главный этап будет проводиться уже в российском сегменте МКС в условиях естественной невесомости при минимуме концентрации парамагнетиков и со слабыми магнитами.
Упаковать сфероиды
Важно отметить, что помимо создания и последующих испытаний биопринтера от его разработчиков потребовалось решить ряд побочных инженерных задач, связанных с его космическим применением. В частности, несмотря на уникальность используемых технологий биопринтинга, наибольшие трудности у ученых вызвала не адаптация процесса печати, а разработка специальной кюветы для доставки тканевых сфероидов на МКС, поскольку прежде подобные материалы в готовом виде на станцию никто не отправлял. Всего же в космос планируется направить 12 кювет с клеточными сфероидами мышей и человека.
Кроме того, нужно было научить космонавтов пользоваться новой техникой.
— Для них мы написали подробную инструкцию по использованию биопринтера, с которой они ознакомились перед основным этапом обучения. Затем наша команда приехала в Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина, чтобы на практике продемонстрировать всю последовательность действий по эксплуатации оборудования. По окончании обучения члены экипажа успешно повторили ее сначала на муляже инкубатора, а затем внутри полноценной модели российского сегмента МКС, построенной в Королеве, — отметил Юсеф Хесуани.
Внешнюю обшивку устройства было решено изготовить из допустимого для космических полетов композитного материала ZEDEX, обладающего высокой износостойкостью. При этом для основного корпуса была выбрана классическая нержавеющая сталь. Разработчикам удалось сделать максимально компактную конструкцию, габариты которой по длине, ширине и высоте составляют 25, 15 и 19 см соответственно. Благодаря этому она будет легко помещаться в уже работающий на станции клеточный инкубатор.
На орбите
В первую очередь на МКС планируется напечатать хрящевые ткани человека и микроорган щитовидной железы мыши, способный вырабатывать гормоны. Такой выбор по типам клеточных структур был связан в первую очередь с тем, что именно их 3D Bioprinting Solutions изготавливает на Земле по традиционной технологии, параметры которой будут сравниваться с результативностью нового метода магнитной левитации.
Напечатанные конструкты щитовидной железы и хрящевой ткани планируется доставить обратно на Землю (ориентировочно в середине декабря 2018 года), где будет проведено их подробное гистологическое исследование. В частности, по его результатам ученые рассчитывают определить, насколько активно в напечатанной на МКС хрящевой ткани будет происходить синтез белка коллагена, который отвечает за прочность и эластичность. Согласно существующим прогнозам, подобные процессы в космосе должны происходить быстрее, чем на Земле, поскольку действующая там микрогравитация будет воздействовать на клетки, собирая их в определенных точках пространства. Кроме того, ожидается, что в условиях невесомости взаимодействие между клетками будут происходить не через посреднический субстрат, а напрямую, что также поспособствует ускорению функций.
По словам директора Института регенеративной медицины МГМУ им. Сеченова Петра Тимашева, выбор типов клеточных структур для печати в космосе вполне обоснован, поскольку создание целого микрооргана исключительно с помощью передового метода магнитной левитации представляет большой научный интерес, а прогресс в области восстановления функциональной хрящевой ткани может облегчить жизнь сотен тысяч пациентов с болезнями суставов.
— Однако к существующему перечню исследований я бы добавил эксперименты по печати кожи человека, так как это одна из самых перспективных технологий для возможного внедрения в практику лечения людей в условиях космоса, — добавил Петр Тимашев.
Перспективы
Важно отметить, что помимо решения текущих задач ученые уже сейчас задумываются о долгосрочных перспективах развития технологий биопечати.
— Я уверен, что космический биопринтинг станет важной ступенью развития печати органов и тканей для регенеративной медицины. Орбитальные эксперименты с участием «Орган.Авт» позволят больше узнать о воздействии радиации на формирование человеческого тела и отдельных частей организма, что должно расширить возможности для дальних космических полетов в будущем. Также не исключено, что когда-нибудь мы сможем развить нашу технику до уровня, который позволит создавать запасные части человеческого организма не только для земного использования, но и для жителей будущих колоний на Марсе и других планетах, — считает Юсеф Хесуани.
Запуск космического корабля, который доставит биопринтер на МКС, запланирован на 11 октября 2018 года.