Космическая биофабрика: зачем российские учёные печатают живые органы на орбите Земли

Пределы земного притяжения и токсичность гидрогелевых каркасов

Идея печатать донорские органы на 3D-принтере будоражит умы биоинженеров не первое десятилетие. Теоретически процесс выглядит невероятно заманчиво: у пациента берут его собственные стволовые клетки, размножают их в инкубаторе, заправляют ими шприц биопринтера и послойно выращивают нужный орган. Такая почка или печень никогда не будет отторгнута иммунной системой, избавляя человека от необходимости пожизненно принимать тяжёлые иммунодепрессанты. Однако суровая земная физика внесла в эти планы серьёзные коррективы.

Главным врагом земной биопечати стала гравитация. Живые клетки на восемьдесят процентов состоят из воды, они лишены жёсткого панциря. Если попытаться напечатать из них объёмную структуру высотой хотя бы пару сантиметров, нижние слои просто не выдержат веса верхних клеток. Конструкция мгновенно оплывёт, превратившись в бесформенную биологическую лужу.

Чтобы противостоять силе тяжести, учёные вынуждены использовать гидрогели — специальные полимерные каркасы, внутрь которых впечатываются живые клетки. Гидрогели удерживают форму, при этом они часто оказываются токсичными для биологического материала, препятствуют прорастанию капилляров и мешают клеткам общаться между собой. Орган получается мёртвым изнутри.

Земная гравитация заставляет биоинженеров использовать химические отвердители и ультрафиолетовое облучение, чтобы хоть как-то зафиксировать напечатанный слой клеток, прежде чем он успеет растечься. Эти методы губительно сказываются на выживаемости клеточного материала. В результате большинство земных попыток напечатать крупный солидный орган, например сердце или печень, заканчиваются неудачей: сосудистая сеть внутри гидрогелевого куба просто не успевает сформироваться, клетки в центре органа задыхаются без кислорода и быстро погибают. Требовался радикальный подход к изменению самой физической среды печати.

Магнитная левитация и принцип формативной лепки в микрогравитации

Российская компания 3D Bioprinting Solutions в партнерстве с учёными из Университета МИСиС предложила парадоксальный выход: если гравитация мешает строить органы, необходимо избавиться от самой гравитации. Для этого был спроектирован уникальный биопринтер «Орган.Авт», который в 2018 году успешно доставили на борт Международной космической станции (МКС). Этот аппарат кардинально отличается от земных принтеров, которые выдавливают материал через экструдер слой за слоем.

Космический принтер использует технологию формативной магнитной биопечати. Внутри устройства создаётся сложнейшее неоднородное магнитное поле. Биологический материал в виде крошечных клеточных сфероидов помещается в кювету с парамагнитной жидкостью. В условиях микрогравитации сфероиды не падают на дно, они парят в толще раствора.

Магнитное поле начинает деликатно подталкивать эти живые кирпичики друг к другу одновременно со всех сторон. Процесс отдалённо напоминает лепку снежка ладонями. Клетки слипаются в единую объёмную структуру без всяких жёстких каркасов. Слившись вместе, сфероиды прорастают друг в друга, формируя плотную жизнеспособную ткань с естественной внутренней геометрией.

Этот метод можно сравнить со сборкой магнитного конструктора, только в роли магнитов выступают живые клетки, вместо невидимых рук действуют точно сфокусированные акустические и магнитные волны. Важнейшим открытием стало то, что магнитное поле, используемое для левитации, абсолютно безопасно для ДНК клеток. Более того, в условиях невесомости процессы клеточного слияния (фьюжна) происходят значительно активнее. Ткань созревает без механического стресса, который неизбежно возникает при экструзионном выдавливании клеток через тонкую иглу обычного шприца.

Четвертое измерение и полимеры с эффектом памяти формы

Эксперименты на российском сегменте МКС не ограничились простой магнитной левитацией. Инженеры пошли дальше, внедрив концепцию 4D-биопечати. Четвёртым измерением в этой технологии выступает время: напечатанный объект способен самостоятельно менять свою геометрическую форму после завершения процесса создания. Основой для этого стали уникальные полиуретановые материалы с эффектом памяти формы, разработанные специалистами МИСиС.

Суть эксперимента заключается в использовании плоских пластин из специального биосовместимого сплава или полимера. На Земле этим пластинам задают изначальную трубчатую форму, затем распрямляют их и замораживают. На орбите космонавты покрывают эти плоские подложки слоем живых клеток. После этого температуру внутри инкубатора плавно повышают до нормальной температуры человеческого тела — тридцати шести и шести градусов Цельсия.

Почувствовав тепло, полимер «вспоминает» свою изначальную форму и самостоятельно сворачивается в аккуратную трубку. Живые клетки оказываются запертыми внутри этого цилиндра. Таким изящным способом российские учёные выращивают идеальные эквиваленты полых органов, например уретры или кровеносных сосудов, без сложной послойной экструзии.

Разработка таких «умных» полимеров стала настоящим триумфом материаловедения МИСиС. Инженеры синтезировали составы, способные выдерживать колоссальные перепады температур и обладающие высокой биосовместимостью. Когда плоская пластина, засеянная клетками, сворачивается в трубку, клетки образуют идеальный эндотелиальный слой на её внутренней поверхности. Этот метод полностью решает проблему создания мелких кровеносных сосудов и капилляров, которые невозможно напечатать обычным послойным способом из-за их микроскопического диаметра. Космос подарил учёным идеальную лабораторию для манипуляций с материей в четырёх измерениях.

Радиационная защита и перспективы спасения жизней на Земле

Сборка живых тканей на орбите сопряжена с колоссальным количеством нештатных ситуаций. Клетки необходимо доставить на МКС живыми, уберечь их от губительной космической радиации, защитить от перегрузок при старте ракеты-носителя. Каждая кювета с биоматериалом представляет собой шедевр микрофлюидики, обеспечивающий подачу питательных веществ и отвод токсичных продуктов жизнедеятельности в условиях невесомости.

После завершения печати полученные тканевые конструкты бережно фиксируются химическими реагентами и возвращаются на Землю в спускаемых капсулах «Союз» для дальнейшего гистологического изучения. Полученные результаты превзошли самые смелые ожидания научного сообщества. Напечатанные в космосе хрящевые ткани человека и элементы щитовидной железы мыши продемонстрировали высочайший уровень жизнеспособности.

Клетки внутри магнитных ловушек формируют естественные ткани в разы быстрее, чем в чашках Петри на лабораторных столах. Этот орбитальный эксперимент доказывает, что космические станции будущего станут не только перевалочными пунктами для полётов на Марс. Они превратятся в высокотехнологичные биологические фабрики. Выращивание сложных органов в невесомости в обозримом будущем поможет навсегда закрыть проблему нехватки донорского материала, спасая миллионы пациентов, стоящих в бесконечных листах ожидания на трансплантацию.

Финансовая сторона вопроса также постепенно перестает быть непреодолимым барьером. Стоимость доставки одного килограмма груза на низкую околоземную орбиту неуклонно снижается благодаря появлению многоразовых ракет-носителей. Если сравнить затраты на пожизненный гемодиализ для пациента с отказом почек с ценой печати новой почки в космической лаборатории, экономика проекта становится абсолютно рентабельной. Российский эксперимент на МКС доказал главное: космос — это не только холодная пустота для спутников связи, это идеальная среда для спасения человеческих жизней и развития передовой регенеративной медицины.