Что космос привнесет в биопечать органов, а биопечать органов — в космос
Почему автор «Автостопом по галактике» мог оказаться прав насчет полотенец, что происходит с человеческими клетками в невесомости и как заставить их летать, не убив при этом, читайте в репортаже Indicator.Ru.
В «Сколково» прошел международный симпозиум на тему «Биофабрикация в космосе: новые возможности проведения биологических экспериментов». В мероприятии приняли участие более 250 человек из Росии, США, Италии, Китая и Индии. Немецкие делегаты не смогли добраться в Россию из-за забастовок работников аэропортов в Германии, но докладчик Маркус Виланд из Университета Отто-фон-Герике в Магдебурге не отказался от своего выступления и провел блестящую презентацию по скайпу, рассказав о тканевой инженерии и клеточных сфероидах (основной строительный кирпичик 3D-биопечати) в условиях микрогравитации.
Ожесточенные киллеры и другие странности клеточного поведения в космосе
Человеку, привыкшему рассматривать реакцию «целых» живых организмов на невесомость, на конференции мог открыться дивный новый мир. Если спуститься на клеточный уровень, можно увидеть, что микрогравитация и там способна оказывать на организм немалое влияние — зачастую именно на этом уровне она приводит к серьезным проблемам со здоровьем у космонавтов.
Ученые активно исследуют, что происходит с клетками разных типов в невесомости. Участники конференции отметили три главных направления, интересующих медиков и биологов в этой области. Первым стала фундаментальная наука, которой важно узнать, как клетки в космосе живут и функционируют, передают друг другу сигналы, делятся и «выбирают судьбу», когда перестают быть стволовыми. Изучает это направление и программируемую гибель клеток (апоптоз), а также изменения в экспрессии генов (то, насколько активно с них синтезируются белки) в условиях микрогравитации. Другое направление — медицинское. Врачей больше интересует, как клетки в космосе болеют раком, регенерируют, каким образом взаимодействуют их белки, что микрогравитация делает с клетками разных тканей и органов. Третье направление — исследования того, как строятся ткани и многоклеточные сфероиды.
Научная работа в этих областях уже дает свои плоды. Так, было обнаружено, что иммунная система в невесомости может находиться в подавленном состоянии. Это позволяет вирусам, прежде дремавшим в организме под ее надзором, активироваться и спровоцировать проблемы со здоровьем. Также ученые рассказали, что цитотоксическая (что буквально означает «клеткоубийственная») активность иммунных клеток — естественных киллеров — в космосе повышается, а вот эпителиальные клетки, напротив, начинают делиться медленнее. Однако та же участь постигает и некоторые раковые клетки, что дает ученым основания надеяться на перспективность подобных исследований. Еще одна научная мечта — печать тканей и органов под воздействием космической радиации. Это поможет понять, как защитить космонавтов при полетах на Луну и Марс.
Порхай как лягушка, жаль, что не безвредно
Очень многие доклады, посвященные микрогравитации, касались левитации клеток в магнитном поле. Почти ни один докладчик, затронувший тему, не удержался от шутки про то, что даже лягушки могут летать. Это, казалось бы, странное выражение отсылает нас к экспериментам нобелевского лауреата Андрея Гейма. Правда, к графену, за открытие которого его все и помнят, летающие лягушки отношения не имеют. Заставив этих земноводных парить, он в 2000 году получил другую премию, Шнобелевскую, которую дают за самые необычные и странные исследования (например, доказывающие, что кошки — это жидкость).
С клетками, как ни странно, дело обстоит сложнее, чем с целой лягушкой. При помощи электромагнита лягушку можно заставить «парить» в присутствии магнитного поля. На клетки размером меньше 20 микрон действует совсем маленькая сила магнитного поля, неспособная преодолеть земное притяжение. При введение ферромагнитного раствора с окисью железа клетки все-таки начинают летать, однако такой подход имеет один недостаток: «подопытные» клетки погибают.
Ученые нашли выход из ситуации, сделав так, чтобы воздействие микрогравитации можно было изучать не только на орбите. Возглавил группу Уткан Демирчи из Стэнфордского университета США. Он рассказал об изучении клеток при помощи редкоземельного металла гадолиния, в растворе с которым можно имитировать условия невесомости. Ученый обнаружил, что его метод не только позволяет клеткам «левитировать», но и дает возможность сортировать их. Хотя и сам гадолиний оказался не безвредным для клеток, его концентрацию всегда можно подобрать до приемлемого уровня. На конференции Уткан Демирчи выступил уже с развитием этого исследования, рассказав о том, как магниты могут управлять самосборкой клеточных архитектур.
Полотенце для космонавтов и самый любимый эксперимент
Для непосвященного зрителя изюминкой конференции стало прямое включение с Международной космической станции. После недолгих помех командир экспедиции Антон Шкаплеров и его коллега Олег Артемьев ответили на вопросы зрителей. Они подчеркнули, что больше всего на орбите им нравится проводить именно биологические эксперименты. Одним из любимых стал эксперимент, в ходе которого панели с микроорганизмами помещаются в открытый космос. Установка этих панелей требует выхода в космос, а это считается самой интересной частью работы.
Рассказали космонавты и об экспериментах над собой. Они связаны с измерением уровня радиации, воздействию которой подвергаются члены экипажа, находясь на борту МКС. Датчики установлены даже в каюте, где спит Олег Артемьев. Сложенные за шторкой мокрые полотенца, которые используются для гигиенических процедур, помогают проверить гипотезу о том, что водная прослойка защищает от радиации. «Мы пытаемся понять, где больше радиации: в левой каюте, которая не защищена этой шторкой, или в правой, в которой спит Олег», — пояснил Антон Шкаплеров. Видимо, если защитная функция полотенец будет доказана, можно будет считать, что Дуглас Адамс, автор книги «Автостопом по галатике», был прав, называя полотенце самым необходимым предметом в обиходе туриста — во время как земных, так и межгалактических путешествий.
На вопрос, какой эксперимент они хотели бы провести больше всего, члены экипажа усмехнулись: «Мы много чего хотели бы провести, но кто ж нам позволит! Что мы сами можем сделать — только лук вырастить». На самом деле эта фраза демонстрирует, какая долгая и тщательная подготовка на Земле стоит за каждым небольшим космическим экспериментом.
Органы от «Органавта» и биореактор от «Катюш»
На МКС как раз собирались отпраздновать 20-летие станции и День космонавтики, поэтому зрители с Земли и видящие ее из иллюминатора члены экипажа обменялись поздравлениями. Артемьев и Шкаплеров напомнили, что здесь, на орбите, этот праздник становится всеобщим и объединяет людей разных национальностей, а не отмечается только русскими. И пока они предвкушали получение приятных подарков с Земли, стало известно о научном подарке, который сделает МКС компания — резидент фонда Сколково «3Д Биопринтинг Солюшенс».
Именно эта компания два года назад создала первый в мире органный конструкт щитовидной железы мыши. Удалось напечатать и хрящи, и свиной коллаген, а яичники у мышей даже прижились и выполняли свои нормальные функции. Компания создала первый отечественный биопринтер, который может печатать трехмерные ткани из живых клеток и биоматериалов с помощью роботов и применением цифровой модели. Этими успехами с участниками симпозиума поделился научный руководитель лаборатории биотехнических исследований компании Владимир Миронов. «Мы разработали концепцию биопечати, протестировав ее сначала на двухмерных, а потом на трехмерных объектах. Затем разработали концепцию печати органов. Таким образом, сейчас мы можем печатать в том числе и трубчатые органы, например кровеносные сосуды», — добавил он.
Благодаря компании на МКС в четвертом квартале этого года отправится 3D-биопринтер «ОрганАвт» (от organ + automat). С его помощью на орбите впервые в мире можно будет напечатать трехмерные ткани из живых клеток и биоматериалов (ткани хрящей и щитовидной железы) с помощью робота. «ОрганАвту» не потребуется даже помощь экипажа и управление с Земли.
Хотя все эти успехи пока не дошли до применения в трансплантационной медицине и заставить напечатанное прижиться в организме человека пока что самая сложная задача, разработчики смотрят в будущее оптимистично. Они живут в мире биореакторов, производимых заводами, где раньше делали «Катюши», и конференций, которые несколько лет назад казались немыслимыми.
Источник: https://indicator.ru/article/2018/04/13/biologiya-v-kosmose/
