Ученые Сеченовского Университета подтвердили возможность выращивания биоэквивалентов кожи и других тканей человека в условия космической микрогравитации. Эксперименты проводились на борту Международной космической станции (МКС) в специально спроектированном биореакторе. Технология выращивания клеток в условиях невесомости является частью глобальной программы по подготовке к освоению дальнего космоса – 3D-биопечать и выращивание тканей из собственных клеток космонавтов позволят эффективно восстанавливать организм после травм и болезней, с которыми предстоит столкнуться в долгих межпланетных перелетах.
Клетка в космосе
Человечество задумывалось о дальних космических полетах и колонизации других планет задолго до того, как стал возможным даже запуск первых спутников: в 1634 году немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер опубликовал фантастическую повесть о пребывании человека на Луне. Сегодня перспектива космических путешествий более чем реальна — первый пилотируемый полет на Марс может состояться уже в 2029 году.
Среди множества опасностей, которые подстерегают космонавтов в полетах к другим планетам и астероидам, — травмы, ожоги, переломы и другие повреждения, в результате которых может понадобиться пересадка тканей или органов. Решать такие проблемы со здоровьем, не отправляя пациента на Землю, ученые Сеченовского Университета Минздрава России предлагают с помощью 3D-биопечати.
Сам по себе процесс 3D-биопечати в условиях микрогравитации не будет значительно отличаться от такового на Земле: биочернила выходят из сопла под давлением, что позволяет формировать те или иные структуры как в лаборатории, так и на борту космического корабля. Однако печать — лишь первый шаг, затем полученный образец ткани предстоит культивировать в биореакторе.
«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: после того, как мы что-то напечатали на биопринтере, заселенную клетками “заготовку” предстоит еще дорастить в биореакторе», — пояснил научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского Университета Петр Тимашев.
Поэтому ученые Сеченовского Университета вместе с научно-производственным предприятием «БиоТехСис» реализуют космическую программу, заказчиком которой является РКК «Энергия». Задача, стоящая перед исследователями, заключается в разработке технологии культивирования клеток в условиях микрогравитации.
В условиях невесомости
«Основная задача проекта — создание биоэквивалента тканей человека в условиях космоса для дальнейших задач в космических полетах. Мы уже знаем, как вырастить кожу, хрящ и некоторые другие ткани на Земле. Теперь надо научиться делать это за ее пределами в условиях микрогравитации», — отметил Петр Тимашев.
Для экспериментов специалисты «БиоТехСис» разработали многоячеечный проточный культиватор «МСК-2». Он относится к капиллярному типу — 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. Все это позволяет максимально приблизить процесс выращивания клеток в условиях космоса к естественному. Кроме того, в реакторе располагается несколько контуров циркулирования питательной жидкости — если один из них выйдет из строя, остальные позволят обеспечивать клетки питанием и дальше.
Первый запуск биореактора с клетками состоялся в 2020 году. Всего в рамках программы, которая завершится в 2025 году, запланировано 10 запусков, из которых восемь уже состоялись. 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 — справится ли оборудование со своими задачами при микрогравитации.
Первые запуски подтвердили, что устройство соответствует всем требованиям безопасности в космическом полете и способно поддерживать физиологические условия для культивирования клеток человека ex vivo. На земной орбите уже побывали фибробласты, хондроциты и стромальные стволовые клетки человека. На борту реактор каждый раз находился в среднем около 20 дней.
«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.
Заправка на орбите
Одна из задач, которую предстоит решить в оставшиеся два запуска, — научить космонавтов перезаправлять биореактор. В будущем ему предстоит находиться на борту месяцы и годы, поэтому с заменой питательной среды для клеток должен справляться человек без специальных навыков.
Перезаправка биореактора происходит в стерильном перчаточном боксе, чтобы избежать загрязнения культуры клеток. Сама процедура не слишком сложна, но космонавтам нужно будет наловчиться работать с миниатюрными деталями.
«В условиях космического полета любые манипуляции превращаются в отдельный эксперимент. Даже простая перезаправка биореактора», — подчеркнул Петр Тимашев.
На основе полученных к 2025 году результатов будут сформированы задачи для следующей космической программы. В их числе – испытание работы портативных моделей биопринтера в условиях микрогравитации.
Оборудование для 3D-биопечати обычно довольно громоздкое, что может быть критично в небольших космических кораблях. Поэтому ученые предлагают использовать для этих задач наработки, которые легли в основу разработанного в Сеченовском Университете компактного портативного 3D-биопринтера «Биоган». На Земле он будет использоваться для печати тканей, не отходя от постели пациента, прямо в области раны. В космосе же пригодится для любых задач биопечати.
Еще одно направление, для которого в космосе могут понадобиться 3D-биопринтер и биореактор, — производство еды во время долгосрочных миссий в космосе, которые требуют больше материалов, чем вмещает космический корабль. По мнению ученых, проблема обеспечения пищей будущих путешественников в дальний космос является второй важнейшей проблемой после высокого уровня радиации, которую человечеству нужно решить для того, чтобы отправиться к Марсу и другим далеким мирам. Культивируемое мясо доступно уже сегодня, хотя и обходится дороже натурального, но в длительных полетах оно сможет стать источником животного белка.
Информация и фото предоставлены Управлением по работе с общественностью Сеченовского Университета
Источник фото: Сеченовский Университет