Наверное, все слышали, что на Международной космической станции космонавты периодически проводят какие-то эксперименты, но мало кто толком понимает - какие и для чего. Весной 2024 года на МКС был проведен уникальный эксперимент по 4D-биопринтингу, одним из организаторов которого стал Университет МИСИС. Рассказать о нем газете "Сталь" мы попросили Федора Святославовича Сенатова, директора Института биомедицинской инженерии и Станислава Владимировича Петрова, заместителя директора этого института.
- Расскажите о проекте с биопечатью на Международной космической станции.
ФС: Все началось с эксперимента, проведенного нашими партнерами – компанией «3Д Биопринтинг Солюшенс» в 2018 году. Тогда на МКС был доставлен магнитный биопринтер «Орган.Авт», созданный специалистами этой компании. Всего таких принтеров было пять: один в космосе на МКС, два здесь, в Университете МИСИС, а четвертый и пятый сейчас находятся в музее космонавтики.
Дело в том, что доставка принтера на МКС прошла не очень гладко – первая попытка оказалась неудачной. Произошла авария ракетоносителя Союз МС- 10 и отсек со всем грузом упал на землю с высоты 60 километров. Любопытно, что упавший биопринтер, который и находится сейчас в музее, условно говоря, выжил при падении. Сами знаете – у нас в России традиционно все делается с большим запасом прочности. Пластиковый корпус и американские камеры GoPro разбились при падении с такой высоты, но вся начинка, все металлические части, все магниты – остались в рабочем состоянии. При необходимости, после починки принтер можно вернуть в строй.
- А почему эксперименты вы проводите на МКС? Вам для чего-то нужна невесомость?
СП: Да, невесомость нужна для отработки новой технологии формирования трехмерных объектов – биофабрикации. На Земле есть ряд ограничений, связанных с тем, что нам нужно создавать разность магнитной восприимчивости биообъектов и жидкости, в которой они находятся. Соответственно, эта разница создается путем добавления парамагнетика в питательную среду. Но это вещество имеет одно досадное свойство – при большой концентрации оно токсично для клеток. Соответственно, чтобы снизить концентрацию парамагнетика до уровня, когда эта жидкость еще не является токсичной, необходимо либо увеличивать магнитное поле, либо избавляться от влияния гравитации.
Поэтому и была выбрана МКС.
Параллельно специалисты компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» проводили эксперименты с использованием больших магнитных полей в Голландии, в городе Неймеген. Там большие магнитные установки, на которых Нобелевский лауреат в области физики, один из разработчиков первого метода получения графена Андрей Константинович Гейм проводил эксперименты по левитации лягушки, а мы на этих магнитных установках левитировали сфероиды.
- Ну и как? Есть успехи?
СП: Есть. Этот способ тоже дает возможность снизить концентрацию парамагнетика, но питание такого рода установки требует порядка 80 мегаватт в час, это гигантские энергозатраты. Поскольку это совершенно новое направление, для отработки технологии мы сейчас идем несколькими путями, доводя ее до ума как в космосе, так и на Земле.
- А что за сфероиды вы упомянули?
ФС: Это самый первый эксперимент в космосе, проведенный коллегами из «3Д Биопринтинг Солюшенс» сразу после прибытия принтера на космическую станцию.
Тогда, в 2018 году, они провели первую магнитную биопечать в условиях космоса и сформировали конструкты, состоящий из многих клеток. Были получены ткане-инженерные конструкции хряща человека из изолированных тканевых сфероидов (хондросфер) и щитовидной железы крысы из тиросфер
Сначала из клеток готовили шарики – тканевые сфероиды. И вот эти тканевые сфероиды в условиях микрогравитации при наложении магнитного поля начали слетаться и формировать плотный конструкт. Смысл в том, что в среду, где находились в кювете в магнитном принтере эти сфероиды, был добавлен парамагнетик (соли гадолиния), которые при наложении магнитного поля заставляли клетки собираться в определенном месте поля.
Это был первый, важнейший в истории шаг.
- А следующий шаг?
ФС: Второй шаг был сделан уже совместными усилиями «3Д Биопринтинг Солюшенс» и Университета МИСИС в этом году. Это формирование трубчатого конструкта.
Почему мы делаем такой упор именно на трубчатые конструкции? Потому что это прообраз кровеносного сосуда. А те, кто смогут печатать кровеносные сосуды, причем стабильно и много печатать – те и сделают следующий шаг в эволюции биопечатания.
- Это настолько важно?
ФС: Если мы хотим перейти от печати чего-то плоского – кожи, хряща, пусть даже уха – к чему-то большему, мы должны обеспечить питание клеток. А питание клеток осуществляется через кровеносные сосуды. И здесь у нас два варианта. Надо либо ждать, пока кровеносные сосуды из нашего организма естественным путем «перейдут» в напечатанные органы или ткани. Для кожи, например, это нормально, она успеет дождаться. Но когда мы говорим про крупные органы – почки, сердце, поджелудочную железу, в общем – то, что должно функционировать, и функционировать стабильно, к ним надо сразу же подводить кровеносные сосуды, либо сразу их формировать методом биопечати.
А биопечать технологически имеет определенное ограничение – сосуд не должен никаким образом коллапсировать, схлопнуться, он всегда должен быть трубочкой на этапе роста и слияния.
Мы же печатаем из клеток и геля – коллагена, например. А это все далеко от жесткой конструкции. Будущий кровеносный сосуд может слипнутся, может потерять свою форму, будет нестабилен. И если вы делаете маленький кровеносный сосуд – это еще решаемо. Но если вы делаете разветвленную сеть сосудов – а нам нужна именно она - вот тут начинается проблема.
Чтобы избежать слипания, можно формировать эти сосуды в условиях микрогравитации, например, в невесомости. И здесь мы переходим от биопечати к биофабрикации. Печать – это послойное создание, а биофабрикация – это воздействие какими-то внешними полями – магнитным, акустическим – и может происходить сразу со всех сторон. Эксперимент на МКС 2024 года был направлен на формирование трубчатой конструкции, прообраза кровеносного сосуда.
- Как формировалась концепция эксперимента?
ФС: Мы начали готовиться более года назад. Работе на МКС предшествовал длительный период наземных испытаний. У нас была такая идея – мы печатаем плоский листочек из полимера и высаживаем на него клетки в условиях космоса. А потом активируем эту полимерную основу, изменяя температуру. И она начинает сворачиваться, формируя трубочку.
Да, это знакомые многим материалы с памятью формы, ведь память формы есть и в полимерах, и в металлах. Здесь мы переходим к большому историческому заделу НИТУ МИСИС. Потому что исследования металлических сплавов с памятью формы у нас ведутся с 1970-х годов, это прежде всего NiTi сплавы.
Полимеры с памятью формы в университете развиваются последние лет 10–15, но у них есть свои плюсы и свои минусы относительно металла. У металла очень большие возвращающие напряжения (он может даже совершать действия с кровеносными сосудами, поэтому и в стентах используется), но восстанавливающая деформация не высока, не более 10%. А у полимеров все наоборот – они очень слабенькие, но могут восстанавливать форму после деформации на сотни процентов.
Поэтому наша первоначальная идея была следующей: использовать полимерную конструкцию, которая свернется в трубочку и образует каркас для роста внутри нее клеток и формирования кровеносного сосуда.
Но еще при наземных испытаниях выяснилось, что возможный температурный диапазон для полимера оказался очень узким. Дело в том, что перенастроить биопринтер, который находится на МКС, крайне проблемно. – что туда отправили, то уже отправили. При отправке биопринтер был настроен на очень узкий температурный диапазон – примерно 36 градусов, в котором комфортно клеткам, а не полимеру. А полимер в этом температурном диапазоне оказывается очень слабеньким и не выполняет нужных функций.
Что делать? Пришлось идти за помощью к коллегам. В итоге сформировался уникальный научный коллектив, где соединилось множество научных направлений. Свои усилия объединили клеточные биологи, специалисты в области полимерных материалов из лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины, плюс специалисты в области сплавов с памяти формы из одноименной лаборатории и кафедры ОМД.
Совместными усилиями было решено ввести в полимерный слой еще и металл, который будет точно настроен на нужную температуру и поможет всей конструкции свернуться. То есть, мы перешли к концепции формирования металл-полимерного гибрида, на который "садятся" клетки и который после этого сворачивается в трубочку.
Так как вначале мы имеем один объект, а потом – другой, то, по сути, мы реализуем концепцию 4D-печати в биопечати, где четвертым измерением является время, на протяжении которого плоский объект становится трубчатым.
Формирование концепции эксперимента и все эти наземные испытания продолжались в течение года, после чего настала пора переходить от наземных испытаний к экспериментам в космосе.
- А как вообще люди выходят со своими экспериментами в космос? Как у вас это получилось?
СП: Когда в «3Д Биопринтинг Солюшенс» планировали этот эксперимент, сначала провели так называемый литобзор - что по этой теме уже делалось? И обратили внимание на эксперимент под названием «Кулоновский кристалл», который на МКС проводили коллеги из ОИВТ РАН – академик Олег Федорович Петров. Их заинтересовала идея магнитной биофабрикации, и началась совместная работа в этом направлении. Так как они уже проводили эксперименты в космосе – то познакомили нас с коллегами из РКК «Энергия». Ну, а дальше все закрутилось, как по накатанной.
Первый в мире эксперимент по созданию трехмерных живых тканеинженерных конструкций из сфероидов в условиях невесомости был уникален тем, что был проведен в кратчайшие сроки – от идеи до запуска прошло всего два года. Обычно эксперименты подобного рода, связанные с МКС, готовятся порядка трех-восьми лет. Возможно, повлияла форма взаимодействия – государственно-частное партнерство. По сути, это был первый России коммерческий эксперимент с поддержкой Роскосмоса. Вся наземная инфраструктура была создана за счет компании «3Д Биопринтинг Солюшенс», вся космическая часть – запуск и работа космонавтов – оплачивалась Роскосмосом.
- На МКС ваши эксперименты проводят космонавты. Есть ли сложности в работе с непрофессионалами?
СП: Я бы не сказал, что космонавты - не профессионалы. Они очень профессиональные люди, но в своей профессии. А в нашей их приходится предметно готовить, обучать необходимым навыкам.
- На Земле?
СП: Конечно, на Земле. Обучение проходило на Земле, обучали мы. Причем изначально же наш первый эксперимент должен был проводить другой космонавт – Алексей Николаевич Овчинин, который не долетел из-за аварии ракетоносителя. Он потом полетел, но в другую миссию и тоже проводил эксперимент по биофабрикации, но уже другой сеанс. А летчик-космонавт Олег Кононенко, который в итоге провел и первый эксперимент, и эксперимент этого года с трубочками – был его дублером. Он как-то сразу очень заинтересовался всей этой нашей историей с биопринтером.
Там же падением неприятности не закончились, была еще одна история, в результате которой наш эксперимент вновь оказался под угрозой. Если помните, на МКС тогда обнаружили отверстие в бытовом отсеке российского корабля «Союз МС-09», состыкованного со станцией. Необходимо было выходить в открытый космос и осуществлять вырезку панели. И у нас начались проблемы – Центр управления полетами запретил проводить наш эксперимент до устранения ЧП. Вот ликвидируют опасность, то есть дней через 20 – тогда, пожалуйста!
А у нас сроки были критичны, эксперимент по плану должен был проводиться сразу по прилету. И отсрочка на 20 дней была фатальной. Потому что у нас клеточные культуры, они за это время погибнут. Им же надо питаться, а еды у них был самый минимум.
В итоге Олег Кононенко нас в буквальном смысле спас. Он действительно очень серьезно проникся нашим экспериментом, поэтому, как командир экипажа, взял ответственность на себя и все-таки провел эксперимент.
Потом рассказывал, что было тяжело – потому что необходимость подготовки к ликвидации ЧП с него никто не снимал, она шла своим чередом и в полном объеме, а на эксперимент было затрачено время, отведенное на отдых.
- Давайте вернемся к недавнему эксперименту с кровеносными сосудами. Можно ли уже говорить о каких-то итогах этого эксперимента?
ФС: Да, конечно. Ведь результаты уже получены. 6 апреля на Землю вернулся экипаж МКС, а 7 апреля кюветы с нашими трубочками прибыли в Университет МИСИС.
СП: Если оценивать итоги в целом, то можно с уверенностью сказать, что эксперимент прошел удачно. Даже просто визуально мы видим, что большая часть образцов имеет форму трубки – то есть эта цель достигнута. Сейчас нам осталось определить - что же произошло с высаженными клетками. Это уже более длительный процесс, надо будет провести гистологические исследования, сделать иммуногистохимический анализ. Думаю, где-то в начале июня мы уже узнаем точные результаты эксперимента. Но, повторюсь – уже сейчас можно сказать, что эксперимент прошел успешно.
- Последний вопрос. Чего вы ждете от этих экспериментов в глобальном смысле? Что они смогут дать людям в случае успеха?
ФС: Как я уже говорил – тот, кто сможет выработать правильную методику формирования трубчатых конструкций, в том числе кровеносных сосудов, тот и выйдет первым на новый уровень биопечати органов. Потому что кровеносные сосуды – это одна из главных преград к тому, чтобы двигаться дальше.
Беседовал Вадим НЕСТЕРОВ
(Вы прочитали интервью из нового номера газеты "Сталь". Прочитать весь номер полностью и полистать архивные номера корпоративного издания Университета МИСИС с почти столетней историей можно здесь).
_________
Подписывайтесь на наш канал Дзен, чтобы первыми читать новые статьи. Спасибо, что читаете нас, ставьте лайк и следите за следующими публикациями!
