Если очень захотеть! Почему эксперименты по биопечати проводятся в космосе
В общем виде биопечать — это создание сложных биологических структур из более простых строительных блоков с помощью какого-либо роботического устройства — биопринтера. В качестве строительных блоков могут выступать отдельные клетки, клеточные агрегаты, натуральные и синтетические полимерные материалы, органические и неорганические соединения.
В настоящее время на Международной космической станции (МКС) находятся три биопринтера, которые можно использовать для проведения различных экспериментов.
Биопринтер «ОРГАН.АВТ»
Первый из них — российский биопринтер «ОРГАН.АВТ», разработанный компанией »3Д Биопринтинг Солюшенс» и доставленный на МКС в декабре 2018 года на борту пилотируемого корабля «Союз МС-11». В основе функционирования биопринтера лежит воздействие переменного магнитного поля на биоматериалы, используемые в качестве строительных блоков. Биоматериалы помещаются в специальных кюветах в биопринтер «ОРГАН.АВТ» и, в присутствии специальных материалов — парамагнетиков, начинают отталкиваться от магнитов, а затем концентрироваться в центре так называемой «магнитной ловушки». Однако для того, чтобы происходила эффективная левитация биоматериалов, необходимо, чтобы они находились в среде, обладающей парамагнитными свойствами.
Что можно печатать в космосе?
В первую очередь, различные тканеинженерные конструкции, которые можно сформировать из шарообразных клеточных агрегатов — сфероидов. Под действием магнитного поля сфероиды собираются в центре кюветы и удерживаются там до тех пор, пока не произойдет их слияние друг с другом и формирование единого конструкта. В зависимости от типа клеток, из которых образованы сфероиды, можно получать конструкты самой различной природы.
В декабре 2018 года с помощью биопринтера «ОРГАН.АВТ» были получены конструкты щитовидной железы крысы и хрящевой ткани человека.
Однако, помимо чисто медицинских целей, технологию биопечати можно использовать и для печати еды, что крайне важно для космических полетов на длительные расстояния, когда доставка еды на «грузовиках» с Земли представляется крайне проблематичным занятием.
Такие эксперименты были проведены весной 2020 года. В качестве «сырья» использовались клетки коровы, рыбы и кролика. Полученные результаты продемонстрировали принципиальную возможность производства культивированных продуктов в условиях космоса.
Новые кости и зубная эмаль
С помощью биопринтера можно получать керамические биоматериалы на основе фосфатов кальция, применяемые для регенерации костной ткани. Использование магнитного поля в условиях микрогравитации позволяет влиять на направление роста кристаллов и получать материалы с улучшенными механическими, физико-химическими и биологическими свойствам.
В 2020 году на борту МКС были сформированы трехмерные каркасы на основе фосфатов кальция, которые были доставлены на Землю, имплантированы в дефекты черепа лабораторных животных (крыс) и продемонстрировали их высокая регенеративную способность. Также полученные материалы могут быть использованы в составе зубных паст для процессов реминерализации зубной эмали.
Хитрые бактерии
Еще одним важным достижением можно считать формирование с помощью биопринтера «ОРГАН.АВТ» на борту МКС летом 2019 года трехмерных бактериальных конгломератов, состоящих из клеток и выделяемого ими внеклеточного матрикса. Хронические инфекции часто связаны с формированием бактериями именно таких конгломератов в организме человека.
В составе конгломератов бактерии обладают повышенной резистентностью (устойчивостью) к антибиотикам. Также существуют данные об изменении свойств бактерий в космосе и увеличении их патогенности. Таким образом, полученные бактериальные конгломераты могут быть использованы для изучения влияния факторов космического полета на бактерии в составе трехмерных агрегатов и поиска новых эффективных лекарств для космонавтов.
Кристаллы белков
Не менее интересная область применения биопринтера «ОРГАН.АВТ» — формирование кристаллов различных белков с целью изучения их пространственной структуры, получения информации о механизмах их функционирования, поиска новых лекарственных средств.
В рамках экспедиции МКС 60/61 уже были выращены кристаллы белка лизоцима, которые оказались значительно крупнее, чем кристаллы, формируемые на Земле.
Можно предположить, что использование магнитного биопринтера в космосе позволит кристаллизовать белки, для которых на Земле не удается подобрать оптимальные условия кристаллизации.
Биопринтер «BioFabrication Facility»
Еще один биопринтер, находящийся на борту МКС, — американский «BioFabrication Facility», разработанный компаниями Techshot и nScrypt (США). Он предназначен для аддитивной биопечати, при которой биоматериал послойно наносится на подложку согласно заранее заданной цифровой модели. В качестве биочернил, как правило, используются различные мягкие гидрогели с клетками. При попытках на Земле напечатать многослойные конструкты этим методом происходит разрушение напечатанных структур под собственным весом из-за гравитации. В космосе указанная проблема отсутствует. Биопринтер «BioFabrication Facility» предполагается использовать для печати ткани сердца и других органов.
Биопринтер «Bioprint FirstAid»
Недавно на МКС был доставлен биопринтер «Bioprint FirstAid», разработанный немецким центром авиации и космонавтики (DLR). Он представляет собой портативное устройство, которое по своему внешнему виду очень напоминает пистолет, а по своей функциональности — скотч.
Биопринтер предназначен для печати пластырей (для заживления дефектов кожного покрова) на основе гидрогелей с клетками. Функциональность этого устройства планируется проверить в феврале-марте 2022 года.
Жди нас, Марс!
Для успешности полетов к дальним планетам, помимо решения технических проблем, необходимо обеспечить полную автономности экспедиции, способность на борту корабля производить продукты питания и оказывать медицинскую помощь. С этой точки зрения, биопечать может оказаться той самой технологией, которая позволит космонавтам достичь независимости от помощи с Земли, а человечеству — превратить мечты о путешествиях на новые планеты в реальность.
Материал подготовлен »3Д Биопринтинг Солюшенс»
