В октябре 2018 года на Международную космическую станцию отправился магнитный биопринтер, чтобы в условиях невесомости изготовить несколько конструктов щитовидки и хрящей. Казалось бы, кого сегодня может удивить 3D-печать: ездит туда-сюда печатающая головка и слой за слоем аккуратно превращает трехмерную модель в осязаемый объект. Увы, послойное моделирование годится только для Земли, а стоит попасть в невесомость, как эта технология становится практически бесполезной. Причем неважно, чем вы печатаете: пластиком, живыми клетками, глиной, шоколадом, чаем или даже стеклом, — ваши чернила, скорее всего, соберутся в единый ком, висящий на экструдере.
Чтобы понять, как же все-таки возможна трехмерная биопечать в условиях микрогравитации, мы отправились в 3D Bioprinting Solutions — это дочерняя компания всем известной «Инвитро», и именно здесь создан «Орган.Авт» — устройство, которое уже этой осенью отправится на МКС и станет первым космическим магнитным биопринтером.
3D Bioprinting Solutions в 2013 году основал Александр Островский, владелец “Инвитро”. Компания специализируется на разработке технологий трехмерной биопечати и в будущем планирует дойти до испытаний in situ — в буквальном смысле чинить поврежденные ткани прямо в живом организме.
Стоит сразу оговориться, что речь все-таки еще не идет о печати полноценных органов — у них зачастую очень сложная структура и технологически до такого уровня мы пока не дошли. Вместо этого современный 3D-биопринтер создает конструкт — фактически, это объект из клеток одного типа, которые какое-то время живут единым «куском» и даже работают. Конструкты подходят для того, чтобы отрабатывать технологии создания многоклеточных объектов и изучать, как себя ведут отдельные клетки.
Первый принтер, созданный специалистами 3D Bioprinting Solutions, назывался FABION — это устройство, которое выглядит, как обычный 3D-принтер, но на самом деле он гораздо сложнее и может печатать гидрогелем и тканевыми сфероидами, о которых мы расскажем чуть ниже. С помощью этого принтера исследователи напечатали конструкт щитовидной железы мыши, который потом подсадили животному — конструкт прижился и даже начал работать как настоящая щитовидка.
Несмотря на успешный эксперимент, у такого подхода есть и минусы — печать все-таки идет не только клетками, в качестве несущей массы используется гидрогель, что не всегда удобно. К тому же использование дополнительного вещества в качестве основы для печати снижает концентрацию клеток в конструкте. В этом случае ставшее уже «лишним» вещество после печати просто мешает клеточной культуре — клетки хуже взаимодействуют друг с другом.
Здесь на помощь ученым пришли тканевые сфероиды — это конгломераты клеток диаметром в пару сотен микрометров, которые в таком виде можно использовать в качестве сырья как для аддитивного (послойного) производства, так и для формативного — когда объект формируется сразу со всех сторон.
Чтобы получить тканевые сфероиды, клетки выращивают не в чашках Петри, а в специальных планшетах, в которых расположены полусферические ячейки с неадгезивной поверхностью. Клетки, разрастаясь в таких лунках, не могут расти просто плоским блином и в итоге налипают друг на друга, превращаясь в небольшие комочки, в каждом из которых от четырех до восьми тысяч живых клеток.
Тканевыми сфероидами сегодня печатают всего несколько принтеров в мире, и одним из них стал FABION 2 — доработанная версия первого принтера 3D Bioprinting Solutions. Чтобы сфероиды не слипались внутри принтера и не забивали сопло, была разработана специальная турникетная печатающая головка, которая физически преграждает путь лишним сфероидам и позволяет подавать их на выход поштучно.
FABION 2 до сих пор используется в лаборатории, в нем установлено шесть печатающих головок (одна сфероидная, два шприца для печати гидрогелями, спрей для полимеризации и префлоу-головка для сложных материалов, которые нужно смешивать из составляющих непосредственно при печати). Тем не менее, это по-прежнему аддитивная технология производства — конструкт печатается послойно, что подходит только для привычных нам земных условий (конечно, на самом деле есть способы реализовать послойную печать в невесомости, но они приводят к усложнению процесса печати).
«Орган.Авт» — именно так называется устройство, которое помогло 3D Bioprinting Solutions перейти от аддитивных технологий к формативным. Это принципиально другой подход к созданию объектов из живых клеток — не нужны печатающие головки и поддерживающие конструкции вокруг создаваемого объекта. 3D-биопринтер не наращивает конструкт послойно, а формирует его из тканевых сфероидов сразу со всех сторон с помощью технологии магнитной левитации. По сути, это коробка с магнитами, в которую вставляется кювета с тканевыми сфероидами, плавающими в гидрогеле. Перед началом работы в кювету впрыскивается парамагнетик, который обычно используется как контраст в магнитно-резонансной томографии, после чего включаются магниты и парамагнетик за 30 секунд выталкивает все сфероиды в центр кюветы.
Первый прототип «Орган.Авт» сам был напечатан из пластика на обычном 3D-принтере и рассчитан всего на одну кювету. На МКС же отправится последняя версия биопринтера, которая работает с шестью кюветами одновременно, в нем предусмотрена подсветка и даже есть смотровые окошки, в которые вставляются камеры GoPro.
В июле представители 3D Bioprinting Solutions провели в Звездном городке обучение космонавтов в ходе двух лекций и двух практических занятий, а уже 11 октября «Орган.Авт» и набор экспериментальных кювет отправятся на орбиту. Внутри кювет будут тканевые сфероиды, зафиксированные с помощью специального геля, который застывает при нагреве и разжижается при комнатной температуре.
На станции космонавты с помощью «Орган.Авт» сформируют конструкты хряща и щитовидной железы — после включения биопринтера его поставят в инкубатор, чтобы стянутые в центр сфероиды срослись друг с другом и дозрели до состояния единого конструкта. Затем в кюветы впрыснут формальдегид и в конце октября отправят обратно на Землю для изучения в лаборатории. Сам «Орган.Авт» останется на МКС, и его в дальнейшем смогут использовать для своих экспериментов и другие исследовательские организации.
Печать в космосе — только начало. В 3D Bioprinting Solutions уже работают над магнитно-акустическим биопринтером. В таком принтере магниты отвечают за одну ось, а акустические излучатели — за две другие, при этом форма кюветы влияет на акустическое воздействие, но это решается калибровкой системы. Благодаря такой гибридной технологии формируемый ком можно сдвигать в сторону, и принтер вместо единой «тефтели» может формировать более сложные структуры.
Пока что у разработчиков получается только вытянутый отрезок из тканевых сфероидов, но в перспективе отрезок можно будет замкнуть в кольцо, а потом из таких колец формировать действительно сложные структуры, например кровеносные сосуды.
Не лишним будет упомянуть, что кроме печати в условиях невесомости в лаборатории работают и по другим направлениям. Одно из самых примечательных — печать in situ, то есть прямо в живом организме. Предполагается, что в будущем можно будет чинить пострадавший орган прямо в живом организме с помощью роборуки, на конце которой установлена печатающая тканевыми сфероидами головка.
Пока что это только идея, реализованная в общем виде на базе манипулятора FANUC, но в будущем исследователи планируют доработать технологию и протестировать ремонт тканей in situ — например, смоделировать хрящевой дефект у живого барана и попытаться его залатать хондроцитами.
В общем, если эксперименты в космосе и на Земле увенчаются успехом, то в будущем космонавты смогут и коленный сустав починить, и новую щитовидную железу напечатать, а то и бургер съесть — для производства мяса формативная 3D-печать тоже отлично подходит.
Николай Воронцов
