НАСА і Techshot розробляють 3D-друк органів в космосі

Вступ: Глобальний виклик трансплантації та надія на 3D-друк

Щодня тисячі людей у всьому світі стикаються із суворою реальністю: їхнє життя залежить від трансплантації органа. Списки очікування розтягуються на роки, а донорських органів катастрофічно не вистачає. Ця глобальна проблема охорони здоров'я стимулює вчених шукати революційні рішення. Одним із найперспективніших напрямів стала регенеративна медицина, а саме – 3D-біодрук, технологія створення живих тканин та органів з використанням 3D-принтерів.

Ідея друкувати людські органи звучить як наукова фантастика, але прогрес у цій галузі йде семимильними кроками. Вчені вже навчилися друкувати прості тканини, як-от шкіра чи хрящі. Однак створення складних, васкуляризованих (що містять кровоносні судини) органів, таких як серце, печінка чи нирки, залишається неймовірно складним завданням. І одна з головних перешкод на цьому шляху – земна гравітація.

Чому Земля – не найкраще місце для біодруку?

Уявіть собі спробу збудувати складний замок із дуже м'якого желе. Без підтримувальних конструкцій він просто розвалиться під власною вагою. Приблизно те саме відбувається під час спроби 3D-друку складних органів на Землі. Біочорнила, що складаються з живих клітин та біосумісних гелів, занадто м'які й не можуть утримувати задану форму в умовах гравітації.

Основні проблеми земного біодруку:

• Колапс структури: Сила тяжіння призводить до деформації та руйнування складних багатошарових конструкцій до того, як вони встигнуть дозріти й стати достатньо міцними.
• Необхідність каркасів (скаффолдів): Щоб подолати гравітацію, вчені часто використовують підтримувальні каркаси. Однак ці каркаси можуть заважати природному розвитку тканини, спричиняти запалення і мають бути або біорозкладними, або видалятися хірургічно, що ускладнює процес.
• Обмеження у складності: Створення тонких і розгалужених структур, таких як капілярні мережі, необхідні для живлення органа, вкрай ускладнене через гравітаційні обмеження.

Ці труднощі змусили дослідників замислитися: а що, як перенести біопринтер туди, де гравітація не заважатиме? У космос.

Космічний біодрук: Переваги мікрогравітації

Умови мікрогравітації на борту Міжнародної космічної станції (МКС) або інших орбітальних платформ відкривають унікальні можливості для 3D-біодруку:

• Друк без підтримки: У невагомості м'які біоматеріали не колапсують під власною вагою. Це дозволяє друкувати складні тривимірні структури безпосередньо, без використання штучних каркасів. Клітини можуть самоорганізовуватися в просторі так, як це відбувається при природному розвитку тканин.
• Створення складних геометрій: Мікрогравітація полегшує формування тонких деталей та розгалужених мереж, таких як кровоносні судини, що є критично важливими для життєздатності великих органів.
• Покращене дозрівання тканин: Деякі дослідження показують, що умови мікрогравітації можуть сприяти швидшому та якіснішому дозріванню клітинних культур і формуванню функціональних тканин.

Саме ці переваги лягли в основу амбітного проєкту, запущеного американським стартапом Techshot у партнерстві з NASA.

Проєкт BioFabrication Facility (BFF): Партнерство NASA та Techshot

У 2016 році компанія Techshot, Inc. (пізніше її підрозділ з космічних розробок був придбаний Redwire Space) спільно з NASA розпочала розробку спеціалізованого 3D-біопринтера для роботи в умовах мікрогравітації – BioFabrication Facility (BFF). Мета проєкту була революційною: довести можливість створення складних людських тканин на орбіті, що в перспективі могло б призвести до друку цілих органів для трансплантації.

Цілі та завдання BFF

Початкові завдання проєкту BFF включали:

• Розробку та створення компактного й надійного 3D-біопринтера, здатного функціонувати на борту МКС.
• Відпрацювання технології друку тканинних конструкцій зі стовбурових клітин людини та біочорнил в умовах мікрогравітації.
• Демонстрацію можливості друку фрагментів тканин, таких як серцева тканина або меніск колінного суглоба, що мають необхідну структуру та життєздатність.
• Дослідження впливу мікрогравітації на процеси клітинної адгезії, диференціації та формування тканинних структур.

Річ Болінг, на той момент віцепрезидент Techshot, наголошував на гуманітарній місії проєкту: "Наша кінцева мета – допомогти сотням тисяч людей, які помирають щодня в очікуванні трансплантації".

Технологія та використовувані матеріали

BFF використовує метод екструзійного біодруку. Спеціальні біочорнила, що містять дорослі стовбурові клітини людини (наприклад, індуковані плюрипотентні стовбурові клітини - iPSC), білки та інші поживні речовини, видавлюються через тонкі сопла шар за шаром, формуючи задану тривимірну структуру. Ключовим моментом є використання власних клітин пацієнта, що мінімізує ризик відторгнення при майбутній трансплантації.

Важливою частиною системи є супутнє обладнання, таке як система культивування тканин Advanced Space Experiment Processor (ADSEP), яка забезпечує необхідні умови (температуру, вологість, газовий склад) для дозрівання надрукованих конструкцій після друку.

Запуск і перші успіхи на МКС

3D-біопринтер BFF був успішно доставлений на МКС у 2019 році на борту вантажного корабля Cygnus NG-11. Перші експерименти були зосереджені на друці фрагментів серцевої тканини. Астронавти на МКС проводили операції із завантаження біоматеріалів, запуску процесу друку та подальшого культивування зразків.

У 2022 році в рамках проєкту BFF-Meniscus-2 було досягнуто значного успіху: на МКС вдалося надрукувати частину людського меніска колінного суглоба. Цей експеримент продемонстрував здатність BFF створювати більші та складніші тканинні структури порівняно з попередніми спробами. Надруковані зразки були повернуті на Землю для детального аналізу.

Redwire Space та подальший розвиток BFF

У 2021 році компанія Redwire Space придбала Techshot, включно з правами на технологію BFF. Redwire продовжила розвивати проєкт, проводячи нові експерименти на МКС та плануючи подальше вдосконалення технології. Успіх BFF відкрив двері для амбітніших проєктів і підтвердив потенціал космічного біодруку.

«Можливість друкувати складні тканинні структури в космосі – це прорив, що може кардинально змінити підходи до лікування багатьох захворювань», - зазначають представники Redwire Space.

Інші ініціативи в космічному біодруці

Успіх BFF надихнув й інші компанії та дослідницькі групи по всьому світу. Російські вчені також проводили експерименти з магнітним 3D-біопринтером "Орган.Авт" на МКС. Європейське космічне агентство (ESA) підтримує дослідження в цій галузі. Приватні космічні компанії, такі як Axiom Space, планують створення власних орбітальних станцій, які можуть стати платформами для комерційного космічного біовиробництва.

Розробляються різні підходи до біодруку в космосі, включно з використанням лазерних і струменевих технологій, а також різних типів біочорнил та клітинних матеріалів. Конкуренція та співпраця в цій сфері прискорюють прогрес.

Виклики та перешкоди на шляху до друку органів у космосі

Незважаючи на вражаючі успіхи, шлях до рутинного друку органів у космосі все ще довгий і сповнений викликів:

• Васкуляризація: Створення функціональної мережі кровоносних судин усередині надрукованого органа – одне з найскладніших завдань. Без судин клітини не зможуть отримувати живлення та кисень.
• Масштабування: Друк невеликих фрагментів тканини – це одне, а створення повнорозмірного, функціонального органа – зовсім інше. Потрібне значне масштабування технології.
• Довгострокова життєздатність: Необхідно гарантувати, що надруковані органи житимуть і функціонуватимуть протягом тривалого часу після трансплантації.
• Вартість і логістика: Доставка обладнання та матеріалів на орбіту, проведення експериментів у космосі – все це надзвичайно дорого й складно з логістичної точки зору.
• Регуляторні та етичні питання: Як і будь-яка проривна медична технологія, космічний біодрук порушує складні етичні та регуляторні питання, які необхідно вирішити до широкого впровадження.
• Автоматизація: Для промислового виробництва органів у космосі знадобиться високий рівень автоматизації процесів друку та культивування.

Майбутнє регенеративної медицини: Космос як фабрика органів?

Перспективи космічного біодруку захоплюють дух. У майбутньому орбітальні станції можуть перетворитися на справжні "фабрики органів", де за запитом друкуватимуться персоналізовані трансплантати з клітин пацієнта. Це може повністю ліквідувати проблему нестачі донорських органів та ризику відторгнення.

Крім друку цілих органів, технологія може використовуватися для створення складних тканинних моделей для тестування ліків, що прискорить розробку нових методів лікування та зробить її етичнішою (скоротивши потребу у випробуваннях на тваринах). Також можливе створення "запчастин" для тіла – наприклад, заміна пошкодженої ділянки серцевого м'яза або відновлення суглобового хряща.

Хоча технології 3D-друку на Землі також не стоять на місці, унікальні умови мікрогравітації роблять космос ідеальною лабораторією та потенційним виробничим майданчиком для найскладніших завдань регенеративної медицини.

Висновок: Нова ера в медицині починається на орбіті

Проєкт NASA та Techshot (Redwire) зі створення BioFabrication Facility став важливою віхою на шляху до реалізації мрії про 3D-друк людських органів. Успішні експерименти на МКС довели принципову можливість створення складних тканинних конструкцій в умовах мікрогравітації. Хоча належить вирішити ще безліч технічних, логістичних та етичних проблем, потенціал цієї технології величезний.

Космічний біодрук обіцяє не просто вирішення проблеми дефіциту донорських органів, а й початок нової ери в персоналізованій регенеративній медицині. Можливо, вже в найближчі десятиліття космос стане не тільки простором для досліджень і подорожей, а й місцем, де створюються технології, що рятують життя тут, на Землі. А замовити друк на 3D-принтері для більш приземлених завдань можна вже сьогодні.