НАСА и Techshot разрабатывают 3D-печать органов в космосе

Введение: Глобальный вызов трансплантации и надежда на 3D-печать

Ежедневно тысячи людей по всему миру сталкиваются с суровой реальностью: их жизнь зависит от трансплантации органа. Списки ожидания растягиваются на годы, а донорских органов катастрофически не хватает. Эта глобальная проблема здравоохранения стимулирует ученых искать революционные решения. Одним из самых перспективных направлений стала регенеративная медицина, а именно – 3D-биопринтинг, технология создания живых тканей и органов с использованием 3D-принтеров.

Идея печатать человеческие органы звучит как научная фантастика, но прогресс в этой области идет семимильными шагами. Ученые уже научились печатать простые ткани, такие как кожа или хрящи. Однако создание сложных, васкуляризированных (содержащих кровеносные сосуды) органов, таких как сердце, печень или почки, остается невероятно сложной задачей. И одна из главных преград на этом пути – земная гравитация.

Почему Земля – не лучшее место для биопринтинга?

Представьте себе попытку построить сложный замок из очень мягкого желе. Без поддерживающих конструкций он просто развалится под собственным весом. Примерно то же самое происходит при попытке 3D-печати сложных органов на Земле. Биочернила, состоящие из живых клеток и биосовместимых гелей, слишком мягкие и не могут удерживать заданную форму в условиях гравитации.

Основные проблемы земного биопринтинга:

• Коллапс структуры: Сила тяжести приводит к деформации и разрушению сложных многослойных конструкций до того, как они успеют созреть и стать достаточно прочными.
• Необходимость каркасов (скаффолдов): Чтобы преодолеть гравитацию, ученые часто используют поддерживающие каркасы. Однако эти каркасы могут мешать естественному развитию ткани, вызывать воспаление и должны быть либо биоразлагаемыми, либо удаляться хирургически, что усложняет процесс.
• Ограничения в сложности: Создание тонких и разветвленных структур, таких как капиллярные сети, необходимые для питания органа, крайне затруднено из-за гравитационных ограничений.

Эти трудности заставили исследователей задуматься: а что, если перенести биопринтер туда, где гравитация не будет мешать? В космос.

Космический биопринтинг: Преимущества микрогравитации

Условия микрогравитации на борту Международной космической станции (МКС) или других орбитальных платформ открывают уникальные возможности для 3D-биопечати:

• Печать без поддержки: В невесомости мягкие биоматериалы не коллапсируют под собственным весом. Это позволяет печатать сложные трехмерные структуры напрямую, без использования искусственных каркасов. Клетки могут самоорганизовываться в пространстве так, как это происходит при естественном развитии тканей.
• Создание сложных геометрий: Микрогравитация облегчает формирование тонких деталей и разветвленных сетей, таких как кровеносные сосуды, которые критически важны для жизнеспособности крупных органов.
• Улучшенное созревание тканей: Некоторые исследования показывают, что условия микрогравитации могут способствовать более быстрому и качественному созреванию клеточных культур и формированию функциональных тканей.

Именно эти преимущества легли в основу амбициозного проекта, запущенного американским стартапом Techshot в партнерстве с NASA.

Проект BioFabrication Facility (BFF): Партнерство NASA и Techshot

В 2016 году компания Techshot, Inc. (позже ее подразделение по космическим разработкам было приобретено Redwire Space) совместно с NASA начала разработку специализированного 3D-биопринтера для работы в условиях микрогравитации – BioFabrication Facility (BFF). Цель проекта была революционной: доказать возможность создания сложных человеческих тканей на орбите, что в перспективе могло бы привести к печати целых органов для трансплантации.

Цели и задачи BFF

Первоначальные задачи проекта BFF включали:

• Разработку и создание компактного и надежного 3D-биопринтера, способного функционировать на борту МКС.
• Отработку технологии печати тканевых конструкций из стволовых клеток человека и биочернил в условиях микрогравитации.
• Демонстрацию возможности печати фрагментов тканей, таких как сердечная ткань или мениск коленного сустава, обладающих необходимой структурой и жизнеспособностью.
• Исследование влияния микрогравитации на процессы клеточной адгезии, дифференцировки и формирования тканевых структур.

Рич Болинг, на тот момент вице-президент Techshot, подчеркивал гуманитарную миссию проекта: "Наша конечная цель – помочь сотням тысяч людей, которые умирают каждый день в ожидании трансплантации".

Технология и используемые материалы

BFF использует метод экструзионного биопринтинга. Специальные биочернила, содержащие взрослые стволовые клетки человека (например, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки - iPSC), белки и другие питательные вещества, выдавливаются через тонкие сопла слой за слоем, формируя заданную трехмерную структуру. Ключевым моментом является использование собственных клеток пациента, что минимизирует риск отторжения при будущей трансплантации.

Важной частью системы является сопутствующее оборудование, такое как система культивирования тканей Advanced Space Experiment Processor (ADSEP), которая обеспечивает необходимые условия (температуру, влажность, газовый состав) для созревания напечатанных конструкций после печати.

Запуск и первые успехи на МКС

3D-биопринтер BFF был успешно доставлен на МКС в 2019 году на борту грузового корабля Cygnus NG-11. Первые эксперименты были сосредоточены на печати фрагментов сердечной ткани. Астронавты на МКС проводили операции по загрузке биоматериалов, запуску процесса печати и последующему культивированию образцов.

В 2022 году в рамках проекта BFF-Meniscus-2 был достигнут значительный успех: на МКС удалось напечатать часть человеческого мениска коленного сустава. Этот эксперимент продемонстрировал способность BFF создавать более крупные и сложные тканевые структуры по сравнению с предыдущими попытками. Напечатанные образцы были возвращены на Землю для детального анализа.

Redwire Space и дальнейшее развитие BFF

В 2021 году компания Redwire Space приобрела Techshot, включая права на технологию BFF. Redwire продолжила развивать проект, проводя новые эксперименты на МКС и планируя дальнейшее совершенствование технологии. Успех BFF открыл двери для более амбициозных проектов и подтвердил потенциал космического биопринтинга.

«Возможность печатать сложные тканевые структуры в космосе – это прорыв, который может кардинально изменить подходы к лечению многих заболеваний», - отмечают представители Redwire Space.

Другие инициативы в космическом биопринтинге

Успех BFF вдохновил и другие компании и исследовательские группы по всему миру. Российские ученые также проводили эксперименты с магнитным 3D-биопринтером "Орган.Авт" на МКС. Европейское космическое агентство (ESA) поддерживает исследования в этой области. Частные космические компании, такие как Axiom Space, планируют создание собственных орбитальных станций, которые могут стать платформами для коммерческого космического биопроизводства.

Разрабатываются различные подходы к биопринтингу в космосе, включая использование лазерных и струйных технологий, а также различных типов биочернил и клеточных материалов. Конкуренция и сотрудничество в этой сфере ускоряют прогресс.

Вызовы и препятствия на пути к печати органов в космосе

Несмотря на впечатляющие успехи, путь к рутинной печати органов в космосе все еще долог и полон вызовов:

• Васкуляризация: Создание функциональной сети кровеносных сосудов внутри напечатанного органа – одна из самых сложных задач. Без сосудов клетки не смогут получать питание и кислород.
• Масштабирование: Печать небольших фрагментов ткани – это одно, а создание полноразмерного, функционального органа – совершенно другое. Требуется значительное масштабирование технологии.
• Долгосрочная жизнеспособность: Необходимо гарантировать, что напечатанные органы будут жить и функционировать в течение длительного времени после трансплантации.
• Стоимость и логистика: Доставка оборудования и материалов на орбиту, проведение экспериментов в космосе – все это чрезвычайно дорого и сложно с логистической точки зрения.
• Регуляторные и этические вопросы: Как и любая прорывная медицинская технология, космический биопринтинг поднимает сложные этические и регуляторные вопросы, которые необходимо решить до широкого внедрения.
• Автоматизация: Для промышленного производства органов в космосе потребуется высокий уровень автоматизации процессов печати и культивирования.

Будущее регенеративной медицины: Космос как фабрика органов?

Перспективы космического биопринтинга захватывают дух. В будущем орбитальные станции могут превратиться в настоящие "фабрики органов", где по запросу будут печататься персонализированные трансплантаты из клеток пациента. Это может полностью ликвидировать проблему нехватки донорских органов и риска отторжения.

Помимо печати целых органов, технология может использоваться для создания сложных тканевых моделей для тестирования лекарств, что ускорит разработку новых методов лечения и сделает ее более этичной (сократив потребность в испытаниях на животных). Также возможно создание "запчастей" для тела – например, замена поврежденного участка сердечной мышцы или восстановление суставного хряща.

Хотя технологии 3D-печати на Земле также не стоят на месте, уникальные условия микрогравитации делают космос идеальной лабораторией и потенциальной производственной площадкой для самых сложных задач регенеративной медицины.

Заключение: Новая эра в медицине начинается на орбите

Проект NASA и Techshot (Redwire) по созданию BioFabrication Facility стал важной вехой на пути к реализации мечты о 3D-печати человеческих органов. Успешные эксперименты на МКС доказали принципиальную возможность создания сложных тканевых конструкций в условиях микрогравитации. Хотя предстоит решить еще множество технических, логистических и этических проблем, потенциал этой технологии огромен.

Космический биопринтинг обещает не просто решение проблемы дефицита донорских органов, но и начало новой эры в персонализированной регенеративной медицине. Возможно, уже в ближайшие десятилетия космос станет не только пространством для исследований и путешествий, но и местом, где создаются технологии, спасающие жизни здесь, на Земле. А заказать печать на 3D-принтере для более приземленных задач можно уже сегодня.