Космические клетки: зачем космонавты печатают человеческие органы на орбите

Выращивать клетки в космосе, на самом деле, сложно. Возможно, даже труднее, чем на Земле. Ведь, как отмечают исследователи, клетки остро чувствуют отсутствие силы тяжести и сразу реагируют на такое состояние. Например, известен случай, когда после запуска на орбиту костных клеток, их цитоскелет начал перестраиваться, что в конце концов привело к замедлению роста самих клеток. Так же и иммунные клетки показали нарушение дифференцировки и активации в космосе: с образцами, которые никогда не выходили за пределы атмосферы, такого не случалось.

Биопечать в космосе открывает огромные возможности для печати тканей и клеток сложной структуры с улучшенными эксплуатационными характеристиками, которые будут пригодны для использования на Земле. Главный положительный фактор, который обеспечивает микрогравитация, заключается в том, что во время печати в условиях космической невесомости, 3D-биопринтеры совсем не нуждаются в каркасах. Дело в том, что земная гравитация может помешать печати тонких клеточных слоев: это вынуждает ученых использовать органические каркасы для поддержки слоев, чтобы они не разрушились и не распались. Как следствие, печать сердечных камер, а также других сложных органов, для функционирования которых требуется сосудистая сеть, становится затруднительным занятием. И хотя многие каркасы биосовместимы, их присутствие в клеточных структурах во время 3D-печати все равно может негативно сказаться на форме и функциональности готовой ткани.

Сегодня целый ряд биотехнологических компаний как за рубежом, так и в России разрабатывают подходы, которые бы позволили использовать собственные клетки пациента для создания новых тканей, учитывающих его индивидуальные особенности. Такие методы выращивания могут пригодиться не только людям на Земле, но и космонавтам во время будущих межпланетных перелетов. 3D-биопринтинг персонализированной клеточной структуры поможет быстро восстанавливать повреждения организма после травм или болезней. Однако, чтобы добиться результатов и совершить революцию в сфере трансплантации органов, науке предстоит серьезная работа, требующая финансирования. Исследователям нужно не только разработать совершенные биопринтеры и биореакторы на замену тем, что используются сейчас, но и научиться грамотно «доращивать» клетки после печати, заставив их исправно работать.

«Длительное культивирование клеток — это всегда вызов хотя бы потому, что принцип устройства механизмов перекачивания жидкости, принцип распределения жидкости внутри контуров биореактора в условиях космического полета совершенно другой. Но обойтись без этого этапа не получится», — отмечает научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского Университета Петр Тимашев.

В сентябре этого года успехов в 3D-биопринтинге добились и российские ученые. В рамках глобальной программы по подготовке к освоению дальнего космоса специалисты Сеченовского Университета доказали возможность выращивания биоэквивалентов кожи и других тканей человека в условиях космической микрогравитации. Эксперименты проводились на борту МКС в спроектированном биореакторе.

Над разработкой технологий культивирования клеток в космосе ученые Сеченовского университета работали совместно с предприятием «БиоТехСис», в рамках космической программы РКК «Энергия». Для эксперимента они создали многоячеечный проточный культиватор «МСК-2». Особенность биореактора капиллярного типа в том, что он воспроизводит среду микроциркуляторного русла, где артерии соединяются с венами на клеточном уровне. Сами же клетки выращиваются в коллагеновой «губке», которая имитирует естественную для них микросреду внутри организма, чтобы приблизить процесс выращивания клеток в условиях космоса к естественному. Кроме того, в аппарате располагается несколько контуров циркулирования питательной жидкости — если один из них выйдет из строя, другие продолжат обеспечивать клетки питанием.

Первый запуск нового биореактора состоялся в 2020 году, а работать он будет продолжать до конца программы — до 2025 года. На данный момент состоялось уже 8 из 10 запланированных запусков: последние образцы вернулись с МКС на Землю этой весной.

Чтобы добиться длительного культивирования клеток, необходимо контролировать температуру, уровень кислорода и другие параметры. На Земле этот процесс давно отработан, однако предстояло адаптировать его для условий космического полета. Поэтому первые два запуска были посвящены проверке работоспособности биореактора на МКС. Выяснилось, что требованиям безопасности устройство отвечает, более того, оно оказалось способно поддерживать физиологические условия для культивирования клеток человека ex vivo в полете.

«Мы подтвердили, что отправленные в космос клетки способны выжить в биореакторе. В последнем эксперименте мы добились того, чтобы они проникли вглубь материала и сформировали целевой продукт — биоэквивалент кожи человека», — рассказал Петр Тимашев.

Впереди команде предстоит осуществить еще два запуска. В ходе них космонавты научатся самостоятельно перезаправлять и чинить биореактор. Также планируется провести испытания портативных моделей 3D-биопринтеров для относительно небольших кораблей, где не так много места для установки габаритного оборудования. Ученые Сеченовки ученые предлагают использовать для этих задач собственную разработку — компактный 3D-биопринтер «Биоган». На Земле он может использоваться для печати тканей прямо в области раны, не отходя от постели пациента, а в космосе будет пригоден для выполнения любых задач.

Еще одно направление, для которого в космосе могут понадобиться 3D-биопринтер и биореактор, — производство еды с учетом ограниченных ресурсов на корабле. Проблема снабжения необходимой пищей путешественников к дальним объектам Солнечной системы сегодня стоит так же остро, как вопрос влияния на человека радиации по пути, например, к Марсу.