Российские ученые сообщили об очередном достижении в области биоинженерии. Впервые на космической орбите с помощью собранного в России биопринтера было получено мясо без использовании природных ресурсов. Этот успех открывает новые возможности для развития регенеративной медицины.
Эксперимент по биологической печати мяса на бору Международной космической станции (МКС) был проведен российским космонавтом, героем Российской Федерации Олегом Кононенко.
Высокие технологии
Кратко описать суть научного опыта можно следующим образом. На российском сегменте МКС был установлен биопринтер «Орган.Авт», специально созданный для работы в условиях невесомости. С Земли на станцию было доставлено шесть емкостей (кюветов) с биологическим материалом, помещенным в гелевую основу. В ходе опыта кюветы загрузили в специальный термостат. При повышении температуры гель перешел в жидкую форму, и клеточные конгломераты начали взаимодействовать друг с другом.
Таким образом, на борту МКС, на расстоянии 415 км от Земли удалось напечатать образцы мяса из клеток коровы, кролика и рыбы.
Все клетки, необходимые для получения образцов мяса, были переданы зарубежными партнерами.
Работу принтера «Орган.Авт» можно сравнить с процессом лепки снежка. Если обычный биопринтер печатает структуру послойно, то в данном устройстве сфероиды собираются под воздействием магнитных волн.
В космос отправляются не просто клетки, а сформированные тканевые сфероиды, представляющие собой шарообразные конгломераты клеток. Они образуются на Земле под действием микрогравитации, поскольку клетки в свободной состоянии начинают соединяться друг с другом.
Этот метод формирования микротканей известен науке уже более 70 лет. Задача ученых была из микротканей создать макроткань, заставить сфероиды слиться между собой и образовать более сложную структуру. Управлять клетками, заставить их занять строго определенное место для формирования мышечной ткани ученые смогли посредством встроенной в принтер магнитной ловушки.
Проведение эксперимента в космосе позволило избавиться от необходимости использовать поддерживающий материал.
Всесторонняя коллаборация
Данный проект примечателен тем, поддержку в его осуществлении оказали как государственные структуры, так и частные компании, как российские, так и зарубежные. Международный проект был реализован при участии ГК «Роскосмос», российской лаборатории 3D Bioprinting Solutions, фонда «Сколково», российской компании «Инвитро», израильской Aleph Farms, а также десятка научно-исследовательских институтов, среди которых: НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н. Гамалеи,
Сколковский институт науки и технологий «Сколтех», Институт медико-биологических проблем РАН, Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН и другие.
Подобный опыт международного научного сотрудничества дал импульс к усовершенствованию подходов к организации экспериментов на космической орбите.
«Сегодня для «Роскосмоса» принципиально важной задачей является повышение как скорости проведения экспериментов, так и их научной новизны, – говорит Николай Бурдейный, исполнительный директор Объединенной ракетно-космической корпорации (ОРКК). – Эксперимент был абсолютно уникальный, потому что было нужно увязать несколько факторов: скорость проведения и подготовки эксперимента, сохранение его первоначальной ценности... Мы собрали команду единомышленников и провели титаническую работу – вместо 8-10 лет, традиционно требующихся для подготовки биологического или биотехнологического эксперимента на орбите, мы сделали эту работу за 1,5 года. Такого опыта нет даже у наших партнеров за рубежом. Это был прорыв и для «Роскосмоса» и для России в целом. Мы пересмотрели многие процесс, и сейчас формируется новый подход к проведению экспериментов».
Для российской биотехнологической компании 3D Bioprinting Solutions этот эксперимент стал еще одним успехом в области трехмерной биопечати. Компания получила известность благодаря биоинженерным разработкам, таким как создание первого российского биопринтера Fabion (2014 год), печать и успешная трансплантация органного конструкта щитовидной железы мыши (2015 год), первой в мире печати в космосе живых тканей (органных конструктов) на биопринтере «Орган.Авт» (2018 год).
Стоимость проекта не раскрывается, но по некоторым сведениям его реализация обошлась в десятки миллионов долларов. При этом 80% всех расходов взял на себя «Роскосмос».
Прогресс регенеративной медицины
Эксперимент доказал возможность использования новой технологии для создания биологических конструктов, которые становятся основой формирования в дальнейшем органов.
«Невозможно создать все органы по одной технологии или только одним прибором, – пояснил управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани, отвечая на вопрос корреспондента портала «ЛекОбоз» о значении нового эксперимента. – Невозможно создать принтер, который мог бы распечатать любые типы тканей организма. Под каждую конкретную задачу мы ищем определенную технологию. И использование микрогравитации является еще одним направлением развития биопечати».
На сегодняшний день наибольший успех в биопечати связан с созданием так называемых плоских органов, таких как кожа и хрящевая ткать. Многие исследовательские коллективы уже провели успешные доклинические испытания полученных биологических конструктов, и научный мир находится в ожидании проведения первых клинических испытаний.
Но это непросто в силу нормативно-правовых ограничений, которые есть в разных странах мира. Пройти законодательные барьеры достаточно сложно, и весь процесс растягивается на долгие годы. Например, в Соединенных Штатах Америки на это уходит от 7 до 10 лет с момента проведения доклинических испытаний.
Заглядывая в будущее
По результатам экспериментов российские ученые планируют подготовить серию публикаций в зарубежных научных журналах. Но это станет возможным не раньше, чем будут собраны результаты научных исследований полученных в космосе образцов несколькими научно-исследовательскими коллективами, на что может уйти достаточно длительное время.
Конечная цель биоинженеров – это вхождение регенеративных технологий в клиническую практику. По словам Юсефа Хесуани, эксперимент проводится не ради эксперимента или написания научной статьи; ученые уже сегодня прогнозируют, что в будущем такие принтеры должны появиться в клиниках для помощи пациенту. Причем создавать ткани они должны будут прямо на месте с помощью технологии in situ биопринтинга.
«Речь идет не о печати объекта, который потом наращивается в биореакторе, – рассказывает управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions. – Печать производится в операционных. Роботические системы сами печатают прямо в организме непосредственно в месте дефекта».
Подобного рода технологии уже сегодня можно использовать в случае повреждения кожи и поверхностных дефектах. При более сложных и более глубоких поражениях такие технологии не помогут, и требуется их дальнейшее совершенствование.
Говоря о ближайших перспективах, Юсеф Хесуани отметил, что в планах компании — печать полых трубчатых органов, таких как сосуды, мочеточник, уретра, имеющих трубчатую структуру. В компании также рассматривают создание эндокринных органов, поскольку они имеют большой потенциал. «Наша работа по печати щитовидной железы показала, что восстановление функций на уровне организма вполне возможно даже при полном удалении нативного органа», – сказал он, отвечая на вопрос корреспондента портала «ЛекОбоз».
Маленький кусочек для человека, но огромный для человечества
Сможет ли такой биопринтер накормить человечество? Футурологи, говорят, что будущее именно за такими технологиями, а не за традиционным сельским хозяйством. Согласно прогнозам ВОЗ, численность населения к 2050 году достигнет 10 миллиардов человек, что значительно увеличит потребность в продовольствии.
То, что производство мяса в будущем не потребует убийства животных, уверен и Александр Островский, основатель и генеральный директор «Инвитро». Более того, любители мяса, полученного традиционным путем, станут чуть ли не изгоями.
«Биотехнологии настолько стремительно входят в нашу жизнь, что мы перестаем обращать на них внимания, и они незаметно становятся частью нашего окружения», – отмечает Александр Островский. Согласно приведенным им данным, рынок биотехнологий должен вырасти в два раза к 2025 году, и достичь объема в 1 трлн. долларов.
«На этом останавливаться никто не собирается, – подчеркнул летчик-космонавт Олег Кононенко. – Думаю, мы не только будем печатать эти конструкты, но и употреблять в пищу, потому что в первый своей экспедиции десять лет назад я выращивал японский салат мизуну, а в четвертой экспедиции мы уже ели эти листья».