Трехмерные принтеры уже собирают конфеты, одежду и даже яичники мышей. Но в следующем десятилетии специализированные биопринтеры могут начать создавать функционирующие человеческие органы в космосе. Оказывается, условия минимальной гравитации в космосе могут стать более идеальной средой для создания органов, чем на тяжелой Земле.
В случае успеха напечатанные в космосе органы могут помочь сократить очередь на пересадку и даже устранить отторжение органов. Хотя исследователям на Международной космической станции (МКС) еще предстоит пройти долгий путь, они надеются в конечном итоге собрать органы из взрослых человеческих клеток, включая стволовые клетки.
Медицина только недавно начала применять 3D-печать в целом, особенно в таких биомедицинских областях, как регенеративная медицина и протезирование. До сих пор эти принтеры производили ранние версии кровеносных сосудов, костей и различных типов живых тканей, выдавливая повторяющиеся слои биоинка - вещества, состоящего из живых человеческих клеток и других тканей, которое призвано имитировать естественную среду, окружающую растущие органы.
Ученые уже напечатали простые доорганные структуры, такие как мини-модели печени и воздушные мешки, похожие на легкие. Однако в настоящее время большинство этих моделей с трудом удерживаются в вертикальном положении.
Недавно исследователи обнаружили, что Земля может быть не самой лучшей средой для выращивания отдельно стоящих органов. Поскольку гравитация постоянно давит на эти тонкие структуры в процессе их роста, исследователи вынуждены окружать ткани строительными лесами, которые часто могут ослабить тонкие вены и кровеносные сосуды и помешать будущим органам расти и функционировать должным образом. Однако в условиях микрогравитации мягкие ткани сохраняют свою форму естественным образом, не нуждаясь в окружающем каркасе, что и побудило исследователей отправиться в космос.
А одна производственная лаборатория, расположенная в штате Индиана, считает, что ее технология может сыграть ключевую роль в космосе. 3D BioFabrication Facility (BFF) - это специализированный 3D-принтер, который использует биочернила для создания слоев в несколько раз тоньше человеческого волоса. Его строительство обошлось примерно в 7 миллионов долларов, и в нем используются самые маленькие печатающие наконечники из всех существующих.
Детище разработчика оборудования для космических полетов Techshot и производителя 3D-принтеров nScrypt, BFF отправится на МКС в июле 2019 года на борту корабля SpaceX CRS-18.
В настоящее время проект сосредоточен на создании все более толстой искусственной сердечной ткани и ее доставке на Землю. Когда напечатанная сердечная ткань достигает определенной толщины, исследователям становится сложнее обеспечить эффективное врастание слоев напечатанной структуры друг в друга. В конечном итоге, однако, они хотели бы, чтобы органы доставлялись на Землю полностью сформированными.
Для правильной работы печатных органов в конечном итоге потребуется сосудистая сеть и нервные окончания, хотя такой технологии пока не существует.
Следующий этап - тестирование сердечных пластырей под микроскопом и на животных - может занять следующие четыре года. Что касается целых органов, Techshot утверждает, что планирует начать их производство после 2025 года. Пока же проект находится в зачаточном состоянии.
"Если бы вы посмотрели на то, что мы напечатали, это выглядит очень скромно", - говорит вице-президент Techshot по корпоративному продвижению Рич Болинг. "Это просто форма типа кубоида, прямоугольная коробка. Мы просто пытаемся заставить клетки прорастать из одного слоя в другой".
"Готовить" органы, как блины
Процесс производства можно сравнить с приготовлением блинов, говорит Болинг. Сначала космический экипаж создает индивидуальную смесь для биоинков с клетками, присланными с Земли, которые они загружают в BFF с помощью инструментов, похожих на шприцы.
Затем исследователи вставляют кассету в BFF, содержащую биореактор - систему, которая имитирует нормальные функции организма, необходимые для роста здоровой ткани, такие как обеспечение питательными веществами и вымывание отходов.
Примерно в 200 милях ниже, в Гринвилле, штат Индиана, инженеры Techshot связываются с астронавтами МКС по защищенному цифровому каналу, поддерживаемому НАСА. Связь позволяет Techshot дистанционно управлять такими функциями BFF, как давление насоса, внутренняя температура, освещение и скорость печати.
Далее происходит собственно процесс печати в биореакторе, который может занять от нескольких мгновений до нескольких часов, в зависимости от сложности формы. На последнем этапе производства процессор ADvanced Space Experiment Processor (ADSEP), культивирующий клетки, "готовит" теоретический блин; по сути, ADSEP упрочняет напечатанную ткань для ее возвращения на Землю. Этот этап может занять от 12 до 45 дней для различных типов тканей. После завершения и упрочнения структура отправляется домой.
На сегодняшний день исследователи провели три процесса тестирования, каждый из которых становился все более точным. В марте этого года они приступят к третьему раунду экспериментов.
Космическая гонка биопринтеров
По словам Болинга, лаборатория BFF является единственной группой, разрабатывающей этот конкретный тип микрогравитационного биопринтера. Однако они не единственные, кто ищет возможность печатать человеческие органы в космосе.
Российский проект также включился в космическую гонку биопечати, однако его технология сильно отличается. В отличие от метода наслоения биочернил, используемого BFF, российская биотехнологическая лаборатория 3D Bioprinting Solutions использует магнитные наночастицы для производства ткани. Электромагнит создает магнитное поле, в котором левитирующая ткань формирует желаемую структуру - технология, которая кажется сошедшей со страниц фантастического романа.
Это коммерческое предприятие типа BFF, основанное российской медицинской компанией, которая печатала мясо в космосе. Российская команда вошла в историю в марте 2014 года, успешно собрав и пересадив щитовидную железу мыши.
После того как их биопринтер стал жертвой аварии космического корабля в октябре 2018 года, компания 3D Bioprinting Solutions восстановилась; теперь команда сотрудничает с американскими и израильскими исследователями на МКС. В прошлом месяце их команда создала первую космическую биопринтерную костную ткань. Как и американский проект, 3D Bioprinting Solutions нацелена на производство функционирующих человеческих тканей и органов для трансплантации и общего восстановления.
"Только потому, что у нас есть технология для этого, должны ли мы это делать?".
Если 3D BioFabrication Facility преуспеет в печати рабочих человеческих органов, они будут подвергаться тщательному регулированию здесь, на Земле. По словам Рича Болинга, процесс одобрения в США является строгим для любого лекарства, что создает проблемы для этого беспрецедентного изобретения. По прогнозам Techshot, на получение юридического одобрения органов, напечатанных в космосе, потребуется не менее 10 лет, хотя это неточная оценка.
Наряду с принятием нормативных актов, человеческие ткани, напечатанные в микрогравитации, могут встретить отпор со стороны общества.
В каждой стране действуют различные законы, касающиеся медицинской трансплантации. Однако по мере продвижения биоинженерии к последнему рубежу международному научно-исследовательскому сообществу, возможно, придется выработать новые правила сотрудничества между звездами.
"Поскольку в ближайшие несколько лет коммерциализация низкой околоземной орбиты будет нарастать, безусловно, верно, что нам придется очень внимательно изучить правила, которые к этому относятся", - говорит временный главный научный сотрудник Национальной лаборатории США по Международной космической станции Майкл Робертс. "И некоторые из этих правил будут затрагивать вопросы, связанные с этикой: Только потому, что у нас есть технология для этого, должны ли мы это делать?".
Ники Вермеулен, преподаватель Эдинбургского университета по научным технологиям и инновациям, исследовала социальные последствия экспериментов по 3D-биопечати. Как и в любом проекте, связанном с Землей, она призывает ученых не обнадеживать людей слишком рано; люди, нуждающиеся в пересадке органов, могут прочитать в Интернете о BFF и подумать, что он скоро будет готов удовлетворить их потребности.
"Самое важное сейчас, я думаю, это управление ожиданиями", - говорит Вермеулен. "Потому что это действительно довольно сложно сделать, и, конечно, мы не знаем, получится ли это. Если бы получилось, это было бы потрясающе".
Другой основной вопрос - это стоимость. По ее словам, как и другие передовые биотехнологические инновации, эти органы могут стать серьезной проблемой с точки зрения доступности. Techshot утверждает, что один напечатанный в космосе орган может стоить дешевле, чем орган от человеческого донора, поскольку некоторым людям приходится всю жизнь принимать антирецидивные препараты и/или оплачивать несколько трансплантаций. Однако в настоящее время неизвестно, сколько времени займет процесс BFF по сравнению с обычным донорством.
Кроме того, существует потенциальный риск для здоровья реципиентов: Главный научный сотрудник Techshot Юджин Боланд говорит, что при манипуляциях с клетками всегда существует вероятность генетической мутации. Например, модифицированные стволовые клетки потенциально могут вызвать рак у реципиентов.
По его словам, команда сейчас работает над определением и минимизацией любых опасностей. Эксперимент BFF соответствует специальным правилам FDA в отношении "человеческих клеток, тканей и продуктов на основе клеток и тканей".
Исследователи на местах надеются довести манипуляции с человеческими клетками до совершенства: В настоящее время более 100 клинических испытаний в США тестируют культивированные аутологичные человеческие клетки, а несколько сотен - культивированные стволовые клетки различного происхождения.
Что будет дальше
После следующего раунда испытаний печати в марте этого года компания Techshot передаст биопринтер компаниям и исследовательским учреждениям, которые хотят печатать такие материалы, как хрящи, кости и ткани печени. По словам Болинга, в настоящее время они готовят биопринтер для этих дополнительных применений, что может способствовать развитию здравоохранения в целом.
Чтобы ускорить работу космических экипажей, компания Techshot создает фабрику клеток, которая производит несколько типов клеток на орбите. Эта технология может сократить количество доставок клеток между Землей и космосом.
Российская компания 3D Bioprinting Solutions также планирует продавать оборудование предприятиям и университетам, одновременно развивая свой основной проект.
По словам Майкла Робертса, в последние годы МКС принимает множество коммерческих предприятий, и там становится тесно. Эксперименты в космосе начали развиваться 40-50 лет назад, хотя до недавнего времени они в основном были связаны со спутниковой связью и технологиями дистанционного наблюдения. С тех пор спутники уменьшились с размеров автобуса до размеров меньше коробки из-под обуви.
За последнее десятилетие Робертс стал свидетелем того, как сфера научных интересов расширилась и теперь включает в себя медицину. Такие организации, как Национальные институты здравоохранения, теперь ищут космос для совершенствования методов лечения, и все - от крупных фармацевтических компаний до небольших стартапов - хотят принять в этом участие.
"У них там на каждой поверхности что-то прилипло", - говорит он.
По мере того, как на МКС будет заканчиваться пространство и внешние точки крепления, Робертс прогнозирует, что коммерческие предприятия будут строить новые объекты, предназначенные для конкретных видов деятельности, таких как производство и выращивание растений. Он считает это хорошей возможностью для дальнейших инноваций, поскольку МКС изначально была спроектирована для гораздо более общих целей.
Космос в целом может начать выглядеть совсем иначе, чем в эпоху первого освоения.
Бэби-бумеры, возможно, помнят, как пять десятилетий назад они мельком взглянули на черно-белое изображение высадки на Луну. В течение этой же жизни они могут наблюдать за появлением органов, отпечатанных в космосе.