Особенность биореактора заключается в том, что в условиях микрогравитации клетки могут расти без использования дополнительных поддерживающих структур, которые необходимы на Земле. Это позволяет решать проблемы, связанные с созданием сложных органов, таких как печень.
Ученые планируют выращивать миниатюрные копии печени на борту МКС, где они будут проходить тестирование на способность функционировать как полноценный орган. Эти ткани, если эксперимент пройдет успешно, могут стать основой для разработки биоимплантов, которые будут использованы в медицине.
Ранее проведенные опыты показали, что микрогравитация помогает обходить многие ограничения, с которыми сталкиваются ученые на Земле. Кроме того, специалисты убеждены, что если получится создать жизнеспособные органы в космосе, это откроет новые горизонты в области трансплантации и восстановления органов, как для людей на Земле, так и для космонавтов в дальних космических миссиях.
Процесс печати в космосе происходит практически так же, как и на Земле. Хотя некоторые структуры - например, кровеносные сосуды, имеющие трубчатую форму, печатать в условиях микрогравитации проще. Это связано с тем, что на Земле созданию объемных вытянутых объектов мешает сила тяжести, под ее действием конструкция складывается и падает. В космосе этого негативного влияния нет, а потому создавать трехмерные объемные конструкции легче.
Понятно, что одной из проблем остается сохранение и доставка тканей обратно на Землю. Команда исследователей разрабатывает инновационные методы криоконсервации, включая изохорическое суперохлаждение, то есть сохранение ткани при сверхнизких температурах без повреждения клеток. Успешное внедрение этого метода значительно увеличит срок хранения созданных тканей, что позволит применять их в широком спектре медицинских ситуаций.
Весной нынешнего года на российском сегменте МКС завершился уникальный космический эксперимент по 4D-биопринтингу. Проводил его командир отряда космонавтов "Роскосмоса" Олег Кононенко. Как рассказали в "Роскосмосе", в результате эксперимента будет отработана методика получения биоинженерных конструкций из комбинации синтетических материалов с памятью формы и биологических компонентов.
По словам специалистов, биопринтер "Орган.Авт" находится на МКС с 2018 года, и он не похож ни на один из существующих. Биоконструкции в нем формируются внутри кюветы не послойно, как при классических аддитивных технологиях, а одновременно с разных сторон. Впервые в мире с его помощью удалось успешно вырастить хрящевую ткань человека и щитовидную железу мыши.
"При проведении первого сеанса эксперимента, который я выполнил в декабре 2018 года, были получены тканеинженерная конструкция хряща человека (хондросфер) и щитовидной железы крысы из клеток щитовидной железы животного. Если говорить строго научным языком, то впервые в мире в условиях невесомости методом магнитной левитационной сборки была успешно осуществлена формативная биофабрикация тканеинженерных конструкций", - рассказывал в интервью "РГ" Олег Кононенко.
В 2019 году на МКС синтезировали образцы мяса из клеток коровы, кролика и рыбы, а в 2022 был начат эксперимент по изучению процесса кристаллизации высокомолекулярных белковых соединений новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2 и различных лигандов и антител для данных соединений. Такая технология получила название "магнитная биофабрикация".
Олег Кононенко провел две сессии эксперимента - по 24 и 48 часов. В биопринтер были помещены специальные кюветы с синтетической пластиной, покрытой клеточным материалом и обладающей эффектом памяти формы. При определенном воздействии в ходе эксперимента они трансформировались в трубчатую структуру.
Ни российские, ни зарубежные исследователи еще не проводили подобные опыты с использованием клеток, биопринтера и материала с памятью формы, который способен изменять геометрию в условиях космоса. По оценке специалистов, этот эксперимент имеет высокую практическую и социально-экономическую значимость в области космонавтики и здравоохранения. Задачи опыта соответствует мировому уровню исследований и разработок, а его результаты будут иметь очевидные перспективы для регенеративной медицины.
Как говорят ученые Сеченовского университета, сам по себе процесс 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.
По словам научного руководителя Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского Университета Петра Тимашева, 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 ученый.
Поэтому специалисты Сеченовского Университета вместе с научно-производственным предприятием "БиоТехСис" и РКК "Энергия" запустили космическую программу, направленную на разработку технологии культивирования клеток в условиях микрогравитации.
Для экспериментов разработан 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.
Всего в рамках программы, которая завершится в 2025 году, запланировано 10 запусков биореактора, из которых восемь уже состоялись. Последние образцы вернулись с МКС на Землю как раз весной.
На орбите уже побывали фибробласты, хондроциты и стромальные стволовые клетки человека. На борту реактор каждый раз находился в среднем около 20 дней.
Одна из задач - 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, говорят в Сеченовке.
"В условиях космического полета любые манипуляции превращаются в отдельный эксперимент. И даже простая перезаправка биореактора на МКС - вызов почище, чем его создание на Земле", - подчеркивает 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.