Как работает и для чего нужна 3D-биопечать в космосе

Снежки из живых клеток

Обычные 3D-принтеры выпускают гелевый материал слоями, в то время как «Орган.Авт» оперирует «летающими» в магнитном поле живыми клетками и объединяет их в полноценные ткани. Механизм работы биопринтера «Орган.Авт» напоминает лепку снежка: когда мы делаем снежки, мы воздействуем на снег сразу с нескольких сторон и формируем шар, так же действуют на клетки магнитные волны внутри принтера, чтобы сформировать из них фрагмент живой ткани.

В земных условиях соединению клеток мешает сила тяжести, которой нет на орбите в условиях микрогравитации. Поэтому печатать некоторые структуры легче в космосе, чем на Земле. Например, при послойной печати трубчатых конструктов (сосудов или мочеточников) под действием силы тяжести они начинают «заваливаться», как Пизанская башня. Так что в данном случае можно сказать, что нет гравитации — нет проблем.

Однако пока «Орган.Авт» может печатать только эллипсы и торы («бублики»). Чтобы создавать трубки, эти «бублики» нужно вытягивать вдоль, а для этого к имеющимся магнитным волнам в механизме принтера необходимо добавить акустические волны. С помощью акустических пинцетов также можно передвигать конкретные клетки для создания более сложных форм. Однако эта технология сложнее обычных акустических волн, поэтому пока ее используют только в земных условиях, потому что для МКС необходимая аппаратура слишком громоздкая. А вот добавить генератор акустических волн в конструкцию возможно в ближайшем будущем, так как это не требует крупных изменений в биопринтере. Так что создание трубчатых структур возможно уже в скором времени.

Донорские органы без доноров

Инициатором проекта был Александр Островский — основатель и генеральный директор «Инвитро». По его словам, изначально технология предназначалась для создания донорских органов для их последующей пересадки и решения проблемы с их постоянной нехваткой. Как говорит Островский, «мы видим очереди на трансплантацию органов, в которых люди стоят годами и часто умирают, так и не дождавшись». 

С помощью биопринтера уже удалось создать жизнеспособную щитовидную железу и успешно пересадить ее мыши, в перспективе — создание других эндокринных органов. Испытания на мышах показывают, что даже при удалении «изначальной» железы возможно полное восстановление ее функций при пересадке, также проведены успешные опыты по восстановлению половых желез у мышей. Можно печатать хрящи, кожу и мышцы, в планах — трубчатые структуры, например, сосуды и мочеточники. 

Однако неизвестно, когда именно технология биопечати живых тканей войдет в нашу повседневную жизнь. «Все ожидают появления технологий в клиниках для работы с пациентами, — говорит управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Но прохождение нормативных барьеров для работы с пациентами — это долго, поэтому пока можно говорить только о доклинических испытаниях». В Международном  обществе биофабрикации (ISBF) считают, что первый напечатанный орган появится в обращении не раньше 2030 года.

Из космоса — на стол

В ходе работы с биопринтером «Орган.Авт» выяснилось, что с его помощью можно производить искусственно культивированное мясо, причем не фарш, а полноценные структурированные волокна. В недавнем эксперименте для биопечати на борту МКС использовались клетки коровы, и ученым удалось получить небольшой — несколько миллиметров — фрагмент мышечной ткани. Это первый опыт выращивания животной пищи в космосе, до этого проводились только эксперименты с растениями. «Маленький кусочек для человека, но большой кусок для всего человечества», — иронизирует Хесуани.

Пока сравнивать мировую индустрию промышленного животноводства с выращиванием «инженерного» мяса рано, потому что количество продуктов несравнимо (12 миллионов тонн мяса, произведенные только в США, например, в 2019 году, против пары миллиметров говядины на МКС). Но можно сказать, что в перспективе создание искусственного мяса будет в меньшей степени влиять на окружающую среду, чем традиционное животноводство. Так, для производства килограмма обычной говядины нужны 10–15 тысяч литров воды, для биопринтинга мяса воды нужно гораздо меньше. К тому же современное животноводство сопровождается выбросами парниковых газов и убийством животных. Об этической стороне перехода к культивации искусственного мяса говорят, например, представители «Очаковского комбината пищевых ингредиентов» (ОКПИ), который в сентябре объявил о создании котлеты из выращенной в лаборатории говядины. «С нашей точки зрения, производство лабораторного мяса имеет самое существенное этическое значение для современного общества, так как мы можем отказаться от забоя живых существ для получения мясной пищи», — заявляет куратор проекта, молекулярный фармаколог Николай Шимановский.

Разница между выращиванием мяса по технологии ОКПИ и биопринтинга, во-первых, в структуре продукта (фарш vs. мышечные волокна), а во-вторых, в необходимости питательной среды. Для биопечати клеткам нужна только вода, а для создания мяса по «земному» методу требуется специальная среда, то есть жидкость, которую нужно хранить и доставлять в особых условиях. 

«Очаковский комбинат пищевых ингредиентов» потратил на изготовление одной котлеты 900 тысяч рублей. Технология биопечати мяса тоже стоит дорого, но с течением времени проводить эксперименты с биопринтингом становится все дешевле, говорит Юсеф Хесуани: «Когда это стоило космических денег, мы делали это на земле, а когда стало стоить земных денег, стали делать в космосе». 

Если, как говорят участники проекта, когда-нибудь цена килограмма «инженерного» мяса действительно станет сравнима с ценой обычной говядины, биотехнологическая новинка может попасть на стол рядового потребителя. Но, естественно, проще всего будет попробовать напечатанное в космосе мясо самим космонавтам, которым достаточно будет нагреть воду, окружающую выращенные образцы, чтобы их приготовить. Однако вкус такого мяса, скорее всего, будет отличаться от обычной говядины, потому что в ней присутствуют не только клетки мышечной ткани, но и ткани соединительные и жировые.

В будущем технология биопечати мяса может использоваться, например, в космических программах колонизации Луны и Марса, так как дает возможность не зависеть от земных источников пищи: «Эти клетки очень хорошо растут, можно отправить, условно говоря, 100 клеток, а космонавты смогут получить из них 100 миллионов клеток. Они будут выращивать эти клетки уже в космосе и, соответственно, употреблять в пищу», — говорит Хесуани.

Радиационная безопасность

Выращивание мяса в космосе выглядит прогрессивно, однако эксперименты с едой традиционно вызывают сомнения. Как быть, например, с влиянием на образцы космической радиации? Космонавт Олег Кононенко, который проводил один из опытов на борту МКС, ручается, что радиационная обстановка на станции в порядке: «У нас всегда с собой пассивные дозиметры, которые позволяют постоянно следить за излучением. К тому же мы летаем под радиационными поясами». Радиационные пояса (пояса Ван Аллена) — это области магнитного поля Земли, которые захватывают и удерживают заряженные частицы космических лучей, поэтому они опасны для живых организмов. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте 4000 километров, а высота орбиты МКС не превышает 500 километров, так что радиационное воздействие на станцию действительно не столь велико. Естественно, в магнитном поле Земли бывают и аномалии с повышением радиационного фона, но для этого на станции предусмотрены системы защиты.

В активном поиске

Проект по 3D-биопечати был разработан совместными усилиями Роскосмоса, частных компаний (3D Bioprinting Solutions, «Инвитро») и зарубежных партнеров (живые клетки коровы предоставила израильская компания Aleph Farms). «Этот эксперимент привел не только к созданию новой технологии, но и к видоизменению взаимодействия госкомпаний с частниками», — говорит Юсеф Хесуани. В перспективе Роскосмос планирует «открыть для частного бизнеса, который хочет работать в космосе, вход в индустрию», с чем ему помогает Фонд «Сколково», поддерживающий частную космонавтику. Специально для упрощения взаимодействия даже планируется создать подразделение-посредник между госкорпорацией и предпринимателями.

То, что Роскосмос ищет новых партнеров, вполне закономерно. В 2018 году стало известно о крупных задолженностях корпорации, в октябре того же года на 114-й секунде полета потерпела аварию ракета-носитель «Союз-ФГ». Последний (на данный момент) полет американского астронавта на МКС с помощью корабля «Союз» запланирован на весну 2020 года, а существующий с 2011 года контракт с NASA не продлен. Роскосмосу нужны деньги, и привлечение частников к совместным космическим проектам — это один из способов их получить.

В новых инвестициях заинтересованы и другие участники проекта, которые серьезно вложились в эксперимент и ждут, когда это окупится. Глава «Инвитро» Александр Островский считает занятую ими нишу очень перспективной: «К 2025 году рынок биотехнологий должен вырасти в два раза и достигнуть уровня 1 трлн долларов». 

Подготовила Ярослава Горлова