Российская частная медицинская компания "Инвитро" разрабатывает технологию печати живых тканей на 3D-принтере, которая в будущем, в частности, позволит создавать полноценные органы для трансплантации. Все проекты проводит лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions (входит в портфель "Инвитро"). В конце прошлого года компания отправила на Международную космическую станцию разработанный учеными лаборатории биопринтер "Орган.Авт". На орбите космонавт Роскосмоса Олег Кононенко провел эксперимент по печати тканей щитовидной железы мыши и хряща человека.
Руководитель проектов лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани рассказал в интервью ТАСС о результатах эксперимента на борту космической станции, о планах по выращиванию говядины, которая пригодится для дальних космических полетов, а также о возможности печати человеческих органов на спутниках за магнитным полем Земли для изучения влияния космической радиации.
— Юсеф, что представляет собой биопринтер "Орган.Авт"? Что закладывается в него для печати органов?
— Мы разрабатывали магнитный биопринтер "Орган.Авт" именно для условий МКС и учитывали уже существующую там инфраструктуру. Например, у нас часть эксперимента проводится при определенных температурных режимах, соответственно, мы должны были наш биопринтер поместить в термостат, который есть на МКС. Это, естественно, ограничило габариты "Орган.Авта". Шесть кювет (съемные емкости, где печатаются микроорганы — прим. ТАСС) помещаются внутрь принтера. Печать ведется с помощью специального материала с клетками. Хочу отметить, что наша кювета, сложнее, чем биопринтер. Кювета совмещает в себе систему доставки клеток на МКС и обратно, а также систему, в которой происходит сам эксперимент. Несмотря на то, что она технически очень сложная, кювета очень проста в использовании, там всего дне кнопки. Одна для добавления специальных суперпарамагнетиков непосредственно перед началом процесса печати, вторая кнопка для добавления специального фиксирующего вещества уже после формирования микрооргана.
На американском сегменте МКС есть обычный 3D-принтер, который печатает пластиком, а у нас специализированный аппарат для космоса, печатающий ткани.
— Что это за клетки и где вы их берете?
— Клетки подбираются в зависимости от научной задачи. В этот раз мы печатали ткани хряща человека и щитовидной железы мыши. Клетки заказывали в специальных "библиотеках" — базах, которые содержат различные образцы клеток, начиная от эмбриональных, заканчивая стволовыми.
— Что и в каких количествах было напечатано? Сколько ушло времени?
— Мы напечатали по шесть образцов хрящевой ткани человека и ткани щитовидной железы мышей. На формирование конструкта (микроорганов — прим. ТАСС) ушли сутки, это быстрее, чем на Земле. Также у собранных органов получилась лучше форма, конструкты собираются в форме элипса. После завершения формирования тканей к ним был добавлен фиксирующий раствор.
— Получившиеся микроорганы по форме напоминают хрящ и щитовидную железу?
— Есть органы, которые должны иметь определенную форму — аорта, матка, мочевой пузырь, трахея. А есть эндокринные органы, которые выделяют гормоны, например, щитовидная железа. С ними абсолютно не важно, какой формы будет напечатанная структура. Более того, можно напечатать, например, десять тысяч маленьких желез, но чтобы они работали как одно целое.
Напечатанная на биопринетере щитовидная железа внешне не похожа на естественную, но это и не нужно. Нужно, чтобы они были похожи внутренне
Если внутри конструкта мы не увидим фолликулов (щитовидная железа состоит из фолликулов — образования в форме пузырей, внутреннее содержимое которых представляет собой коллоид, — прим. ТАСС) щитовидной железы, которые содержат образующий гормон коллоид, тогда какое бы у нас ни было внешнее сходство, это не будет работать.
— Чем отличается процесс биопечати в космосе от печати на Земле?
— В невесомости на МКС конструкты собираются идеально в середине кюветы, то есть там, где и должны быть. На Земле из-за силы тяжести конструкты могут смещаться в сторону. Кроме того, во время формирования микроорганов в кювету добавляются специальные вещества — суперпарамагнетики, чтобы создавать магнитное поле (позволяют удерживать формируемый конструкт в центре кюветы и придавать ему определенную форму — прим. ТАСС). И вот в космосе за счет невесомости можно на порядок сократить их концентрацию. Это была вещь, которую нам обязательно надо было проверить, в частности, потому что в больших концентрациях парамагнетики могут быть токсичны для клеток.
— При работе с "Орган.Автом" на МКС были какие-то трудности?
— Немного "гуляла" температура термостата. Она должна оставаться в определенном диапазоне, так как клетки мы отправляем в геле, который переходит в жидкое состояние при температуре 15 °C и ниже. И чем ниже, тем быстрее скорость перехода в жидкое состояние. Оптимальная скорость перехода из гелеобразного в жидкое состояние достигается при температуре в диапазоне 4–8 °C. Термостат держал температуру чуть выше, гель "таял" медленнее, и пришлось аппарат дольше держать в термостате. Четко прописанные сроки проведения эксперимента начали смещаться "вправо". Нужно было быстро корректировать этапы проведения эксперимента в режиме онлайн, что мы и делали из ЦУПа. И я хочу выразить большую благодарность космонавту Олегу Кононенко, который проводил эксперимент. Он очень спокойно и с пониманием к этому отнесся. В результате по общему времени эксперимента нам удалось уложиться в срок.
— Какие исследования проводились с тканями после их возвращения на Землю?
— Сначала нам нужно было определить, что внутри конструктов клетки живые. Мы проводили гистологические исследования, разрезали наши конструкты, смотрели, что внутри. Первый результат — да, они живые. Во-вторых, мы смотрели, что в клетках не произошло никаких патологических процессов.
Главное, нам надо было понять для первого эксперимента: это все на орбите работает или нет, собирается или не собирается. Работают ли так же, как и на Земле, процессы самосборки живых тканей. Так как наша технология основана на слиянии тканевых сфероидов (округлые струкутры, которые состоят из нескольких тысяч клеток) за счет сил поверхностного натяжения, а также в результате клеточной перегруппировки и миграции. И если собирается, то как все это влияет на клетки — умирают они или нет.
После того как космонавт Сергей Прокопьев доставил кюветы на Землю и мы получили их в Москве на Чкаловском, мы отсмотрели в лаборатории видео с камер Go-Pro, которые были установлены в кюветах. Мы смотрели, именно как шел процесс "сборки" микроорганов (наибольшая длина каждого конструкта около одного сантиметра — прим. ТАСС).
— А собранные на МКС ткани пересаживали мышам?
— Нет. Потому что они были уже в специальном фиксирующем растворе они не функциональны, после этого их уже нельзя пересаживать мышам.
Конечно, если говорить о будущем, нам бы очень хотелось поставить такие эксперименты, когда бы мы могли привозить микроорганы и проводить трансплантацию. Но для этого их нельзя фиксировать, и после печати органы должны держаться в биореакторе. Это система, в которой происходит прокачка питательной жидкости, чтобы поддерживать жизнеспособность конструкта, чтобы клетки между собой срастались и взаимодействовали. На первом этапе наша задача была просто понять, что в космосе можно напечатать микроорганы в биопринтере и безболезненно доставить клеточный материал на МКС и обратно на Землю. Эта задача выполнена.
— А вы рассматриваете вариант, чтобы пересадка органа осуществлялась на МКС?
— Потенциальный эксперимент по пересадке органов мышам на МКС очень нравится, в первую очередь, космонавтам, потому что это интересно. Но этот эксперимент в космосе крайне сложен как с точки зрения необходимости наличия у кого-то из космонавтов хирургических навыков, так и с точки зрения технической.
При трансплатнации напечатанной щитовидной железы мышам на Земле, ее подсаживали под капсулу почки (ее не обязательно ставить на место — в район горла), потому что под капсулой почки место богато сосудами. Я не могу сказать, что это тяжелая процедура, но приходится делать именно полостную операцию: ввести микроорган через микронадрезы шприцом нельзя, большие риски, что клетки повредятся из-за давления, создаваемого поршнем шприца.
— "Орган.Авт" будет на борту МКС до 2024 года. Вы планируете как-то дорабатывать принтер?
— У нас есть планы по усложнению аппаратуры. Но мы не будем вносить изменения в принтер, мы будем вносить изменения в кювету, чтобы сделать уже не чисто магнитную установку, а магнитно-акустическую — будем накладывать акустические волны на магнитные, чтобы получить более сложную геометрическую форму.
Сейчас в усовершенствованной кювете на Земле мы уже научились получать колечки (на орбите конструкты были собраны в виде эллипса).
Наша задача — сделать на орбите как минимум колечко, как максимум трубку, чтобы делать трубчатые органы. На МКС, может быть, мы сразу будем пытаться делать трубку
Я вижу здесь два интересных для нас направления — сосуд и фрагмент мочеточника.
— Какие эксперименты с какими клетками вы планируете делать дальше на МКС?
— Мы поработаем с разными типами клеток. Хотим отправить мышечные клетки, например, клетки коровы. Сейчас мы работаем с американскими и израильскими стартапами, которые из стволовых или других типов клеток получают большой объем мышечных клеток для для создания так называемого искусственного мяса.
— Будете печатать фарш?
— Скорее, фрикадельки. Маленькие фрикадельки в несколько миллиметров, может быть, до нескольких сантиметров. Нам в данном случае не надо создавать структуру — мышечные волокна, то есть печатать полноценный стейк.
— Каким может быть такое мясо на вкус?
— Для привычного вкуса в напечатанных тканях должно быть не только мясо, оно должно состоять из трех типов клеток — мышечные клетки, клетки соединительной ткани и клетки жировой ткани. Плюс вкус определяется не только составом, но и формой.
Пищевое направление мы точно будем исследовать в космосе. В лаборатории на Земле у нас уже есть образцы клеток голубого тунца, лосося и говядины. Сейчас я не могу сказать, что все точно полетит в космос. Прежде мы должны поставить с этими клетками ряд экспериментов на Земле.
— То есть в будущем можно отправлять космонавтам образцы клеток мяса и рыбы, чтобы они там себе печатали еду?
— Идеология такая: мы будем отправлять им клетки в очень маленьких кюветах. Эти клетки очень хорошо растут, можно отправить, условно говоря, 100 клеток, а космонавты смогут получить из них 100 миллионов клеток. Он будут выращивать эти клетки уже в космосе, и, соответственно, употреблять в пищу. Этими технологиями очень заинтересованы Роскосмос и НАСА.
Для такой самовозобновляемой пищи нам нужно будет большое количество воды для получения большого количества клеток. Воду можно использовать рециркулирующую. Главная цель — получить самовозобновляемую еду для дальних полетов, чтобы обеспечить автономность от Земли.
— Следующий ваш эксперимент на МКС будет иметь пищевую направленность?
— В последующих миссиях мы также планируем отправлять неживые материалы — керамику. Она может быть очень полезна в медицине, например, для замещения костной ткани.
Кроме того, мы собираемся отправить на МКС бактерии. Бактерии очень быстро формируют трехмерные структуры, как и клетки. И, судя по всему, они быстро становятся антибиотико-резистентными за счет быстрого образования биопленки. Это происходит по-видимому, в том числе из-за того, что бактерии испытывают серьезный стресс в условиях микрогравитации. Подобного рода эксперименты будут безопасны для космонавтов, так как проводятся в полностью закрытых системах (не надо переливать никакие жидкости) с тремя степенями защиты. В результате при дальних космических полетах могут появиться новые заболевания, о которых мы не знаем. Надо попробовать их напечатать в "Орган.Авте" на МКС и изучить.
— Когда вы планируете провести следующий эксперимент на МКС?
— В августе хотим отправить синтетические материалы и, возможно, живые клетки.
— Сколько всего серий опытов на космическом принтере запланировано?
— Мы сейчас запланировали больше десятка сессий. Но нам придется как-то дробить эксперименты. Возможно, на этот год мы запланируем еще две сессии, а потом подадим запрос еще на восемь. А возможно, сразу зафиксируем десять.
— Органы вы еще будете печатать на МКС?
— Да, обязательно будем. Я считаю, что нам неплохо было бы провести повторный эксперимент с человеческим хрящом и щитовидной железой мыши. Просто для контроля: сравнить то, что мы получили в первый раз, и что получим во второй раз. Если говорить про другие органы, мне бы было интересно попробовать напечатать органы из репродуктивной системы — например, ткань яичника.
— Планируете привлекать к экспериментам на МКС иностранных коллег?
— Да, мы могли бы разделить эксперимент на сегменты МКС в рамках международного научного сотрудничества. В частности, если говорить о совершенствовании системы доставки полученных тканей на Землю для последующих опытов с трансплантацией, нужны биореакторы. То есть идея такая: мы доставляем материалы на российский сегмент, делаем там первую часть эксперимента — печатаем микроорганы, затем кюветы передаем американским коллегам для того, чтобы они использовали биореакторы и доращивали эти микроорганы до возвращения на Землю.
— На каком этапе у вас договорный процесс с иностранными коллегами?
— Сейчас мы доводим нашим зарубежным коллегам информацию, что у нас получилось в ходе первого эксперимента на МКС. Рассказываем им про наш биопринтер, кюветы и т.д., чтобы они понимали, какая инфраструктура у нас уже есть. Дальше мы составили несколько проектов, которые предоставили им на рассмотрение, где расписано, какие операции можно сделать совместными, исходя из их инфраструктуры. Пока официальных подписанных договоров нет.
— Ранее вы говорили, что планируете проведение экспериментов с биопринтером на микроспутниках?
— Да, на микроспутниковых системах. Это очень сложный проект, для реализации которого, абсолютно точно, необходимо создавать международную группу. Этот проект мог бы объединить под собой разные космические агентства. Суть заключается в том, чтобы отправлять напечатанные микроорганы за пояс магнитного поля Земли. И там в режиме реального времени снимать показания, как радиация влияет на те или иные человеческие органы. Печатать органы лучше прямо там, чтобы клетки гарантированно были живые.
Проблема актуальна — обеспечение жизнедеятельности и безопасности человека в экспедициях в дальний космос. Можно отправить за радиационный пояс Земли для изучения радиации мышей и крыс, но системы регенерации у них другие. Но мы прекрасно понимаем, что это потребует огромного количества абсолютно разных компетенций. Эту работу в рамках одной страны сделать очень тяжело.
— Когда, по вашим оценкам, можно будет печатать органы для пересадки людям?
— Мы входим в общество биофабрикации и его участники полагают, что первый напечатанный орган появится в клинике не раньше 2030 года. Речь идет в первую очередь про замещение кожных и хрящевых дефектов. Печататься ткани планируется с использованием собственных клеток пациента.
Беседовала Милена Синева