На Международной Космической станции проводится множество экспериментов. Об одном из них – создании трёхмерных биоплёнок из бактерий кишечной палочки, мы вам уже рассказывали. Но работы по космической печати этим не исчерпываются и находят своё продолжение на Земле. Сегодня речь пойдёт о наработках в области создания органов для трасплантации.
Концепция 3D биопринтера была разработана в 2003 г. Владимиром Александровичем Мироновым, тогда сотрудником Медицинского университета Южной Каролины. В настоящее время он занимает должность научного руководителя российской компании 3D Bioprinting Solutions. Первое серийное устройство создали в 2009 г. в США (компания Organovo). В 2014 г. появился первый российский 3D биопринтер FABION (компания 3D Bioprinting Solutions).
3D биопринтер отличается от обычного 3D принтера тем, что использует для печати не пластик, не металл и не керамику, а биоматерилы. Биоматериал представляет из себя гелеобразную субстанцию, более чем на 90% состоящую из воды, в которую помещены живые активные клетки. Это могут быть бактерии, а могут быть клетки, извлечённые из тканей многоклеточного организма, в том числе и человеческого. Причём гель надо подобрать так, чтобы клетки оставались живыми достаточно долго, а это не так уж просто. Из таких «биочернил» строится трёхмерная структура, в рамках которой клетки способны на дальнейшую самоорганизацию. Создаётся не простая механическая конструкция из биоматериала, а клеточное сообщество, которое после завершения печати заживёт собственной жизнью. Клетки начнут взаимодействовать, а гель будет выведен за ненадобностью.
Теоретически так можно создать и почки, и сердце из собственных клеток пациента. Для этого нужно сделать биопсию, извлечь небольшое количество живых тканей и поместить их в питательную среду. Современные технологии уже позволяют получать из одних видов клеток другие. Из созданного таким образом биоматериала можно печатать всё, что потребуется для трансплантации, не дожидаясь, когда появится нужный донорский орган. Попутно решается ещё одна очень важная проблема: отторжения инородных органов организмом. При пересадке чужих тканей пациенту необходимо подавлять иммунитет, что многократно увеличивает риск умереть от какой-нибудь не слишком опасной в обычных условиях болезни. Органы, созданные из собственных клеток пациента, не отторгаются, следовательно, и подавлять иммунитет не нужно.
На практике успехи биопринтинга пока не столь впечатляющи, хоть и внушают оптимизм. В настоящее время на 3D биопринтерах успешно печатается кожа, некоторые другие структуры. Но всё же напечатать полноценных тканей и органов годных для пересадки удалось не так уж много. Ряд условно успешных экспериментов – это всё же изготовление довольно грубо приближённой модели, а не полноценного органа, который вот прямо сейчас можно брать и пересаживать. Например, в апреле 2019 г. в прессе появилось сообщение, о том, что сотрудникам университета Тель-Авива удалось напечатать человеческое сердце, но это не совсем так. Созданное израильскими учёными сердце является человеческим лишь в том смысле, что для него использовались человеческие клетки. Полученная модель по размеру больше подходит кролику, чем человеку. К тому же и строение у него проще, чем у настоящего, и полноценно функционировать оно не может. Это очень серьёзный задел на будущее, но сказать, что мы уже умеем печатать сердце на принтере, пока нельзя.
В декабре 2019 бразильские учёные сообщили о том, что создали частично функциональный контструкт печени. Изначальным материалом служили клетки крови человека. Но опять-таки, это была мини-печень, а не полноценный орган. К тому, чтобы обеспечивать хирургов-трансплантологов необходимыми "комплектующими" был сделан огромный шаг, но путь предстоит ещё длинный.
В процессе создания органов и тканей возникает много проблем. Дело тут в технических тонкостях. Например, гидрогель, в который помещают клетки, должен быть достаточно густым, иначе конструкция попросту завалится при печати. Гель играет роль своего рода «строительного раствора». Но, к сожалению, чем он гуще, тем хуже клетки его переносят. Далее, печать органа должна осуществляться очень быстро, чтобы по завершению тут же поместить орган в питательную среду. Ограничения появляются не только по времени, но и по размеру. В общем, имеется множество мелких и не очень мелких сложностей, из-за которых печать разнообразных органов для трансплантации не удаётся.
Трудно сказать, кому первому пришло в голову, что многие из этих сложностей исчезают, если биопринтер работает в условиях малой гравитации. Конструкция не заваливается, и её можно формировать не снизу вверх послойно, а сразу во всех направлениях, что позволяет выиграть время. К тому же, если мы всерьёз собрались покорять космос, оснастить космические станции и корабли биопринтерами вообще не помешало бы. Это позволит в будущем оказывать космонавтам необходимую медицинскую помощь, если они получат серьёзную травму. Кроме того, 3D биопринтер станет источником качественных продуктов питания. Можно разводить на борту клеточные культуры, а потом печатать из них свежее, сочное мясо, совсем как настоящее. Таким образом, освоив космическую биопечать, мы убиваем сразу двух зайцев: оснащаем станцию ценным бытовым и медицинским прибором и решаем научные проблемы, которые исследователям пока не удаётся решить в земных условиях.
В 2016 г. компанией 3D Bioprinting Solutions было подписано соглашение с РКК «Энергия» (госкорпорация Роскосмос) о проведении эксперимента на российском сегменте МКС. Так стартовал проект «Магнитный 3D-биопринтер». Похожие эксперименты были запланированы и на американском сегменте, но «Кристобаль Хозеевич любил успевать раньше» (с).
Космический 3D биопринтер, созданный лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions получил имя «Оган.Авт». Его устройство несколько отличается от принтеров, которые работают на Земле в условиях нормальной земной гравитации. Те представляют из себя роботическую руку со шприцом, которая движется в трёх измерениях и выдавливает капельки биоматериала в нужном месте пространства. В основе работы «Орган.Авта» лежит магнитная левитация. Материал растёт сразу во всех направлениях от центра. Специалисты любят сравнивать этот процесс с формированием снежка. Для биочернил используются не отдельные клетки, а так называемые клеточные сфероиды – плотные шарообразные упаковки по несколько тысяч живых клеток в каждой.
Прибор отправился на МКС 11 октября 2018 гг., но, увы, тогда при запуске корабля «Союз МС-10» произошла авария. Во время отделения боковых ускорителей от ракеты один из них задел центральный блок и повредил двигательную установку. К счастью обошлось без человеческих жертв. Посадочный модуль с космонавтами - американцем Ником Хейгом и россиянином Алексеем Овчининым, приземлился в Казахстане, в 20 километрах восточнее Джезказгана. А вот бытовой отсек, в котором находился «Орган.Авт» грохнулся с семидесятикилометровой высоты без всяких парашютов. Но всё-таки 3D биопринтер частично сохранил работоспособность. «Мы изучили упавшую аппаратуру. У биоматериала, разумеется, выжить шансов не было. Сам биопринтер при серьезных повреждениях внешней декоративной части остается в рабочем состоянии (!) благодаря целостности магнитов. Я очень горд нашей командой, умеющей делать оборудование, которое остаётся в рабочем состоянии даже при падении из космоса. Для сравнения — камеры GoPro разбиты вдребезги», — написал у себя в Фэйсбук управляющий партнер компании 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. Сделали, как видно, на совесть. Но, к повторному полёту биопринтер всё же не допустили и отправили в Музей космонавтики, а для работы на МКС начали готовить «дублёра».
Новенький «Орган. Авт» отправился на Международную Космическую станцию 3 декабря 2018 г. и на этот раз благополучно достиг своей цели. За провидение экспериментов по 3D биопечати отвечал космонавт Олег Кононенко. Тогда же, в декабре2018 г., впервые в истории на орбите была напечатана щитовидная железа мыши и хрящевая ткань человека. В июле 2019 свой 3D биопринтер появился и в американском секторе МКС. Там напечатали ткань сердечной мышцы. Исследования продолжаются, и насколько созданные таким образом конструкты отличаются от «земных», нам ещё предстоит узнать.
За минувший год на МКС проведен целый ряд впечатляющих экспериментов. Самые известные из них связанны с созданием на станции искусственного мяса. Для этого использовали клетки крупного рогатого скота, кроликов и рыб.
В принципе, магнитный 3D биопринтер, формирующий конструкт как снежок может работать и в земных условиях, но для этого нужно сильное магнитное поле, вроде того, в котором левитировали лягушку в знаменитом эксперименте Андрея Гейма. А ещё нужны парамагнетики, которые, к сожалению, довольно токсичны. Собственно, они и в космосе нужны, хоть и в меньшей концентрации, поэтому ещё одна перспективная идея – создать 3D биопринтер, который будет использовать не электромагнитные, а акустические волны.
Сейчас в планы сотрудников 3D Bioprinting Solutions входит разработка серийного 3D биопринтера для операционной, который сможет печатать ткани и органы непосредственно на теле пациента, и уже есть впечатляющие успехи. 6 декабря 2019 г. 3D Bioprinting Solutions и МНИОИ имени П.А. Герцена (филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России) провели уникальный экспериментн на лабораторных животных. Речь шла о биопечати имплантата для замещения кожных дефектов прямо на живом объекте. Использование специальных роботических рук позволило печатать не только на горизонтальных поверхностях, но и заполнять тканевые дефекты неправильной формы под нужным углом. Прооперированные таким образом мышки чувствуют себя хорошо.
Если вам понравилась статья, не забудьте поставить "лайк". Спасибо.
