111

На субботу на 10:00

Биопринтер против коронавируса

Первый российский биопринтер Fabion появился в 2014 году. C его помощью провели эксперимент по печати щитовидной железы мыши, которая впоследствии благополучно прижилась в организме грызуна. Новость тогда облетела весь мир. В какой-то момент у специалистов лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс», постановщиков эксперимента, возникла идея печатать биоматериал в космосе, поскольку невесомость — подходящая среда для этой технологии.

Необычное устройство на столе лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» почему-то называется принтером. Но, как я ни присматривался, ни картриджей, ни печатающих головок с полимерной нитью или иных привычных для 3D-печати признаков не обнаружил.

«И не ищите, — улыбается управляющий партнер компании Юсеф Хесуани. — Это магнитный биопринтер Organ.Aut. Кстати, второй экземпляр. Точно такой же, один в один, с 2018 года летает на МКС».

«И что же он там в космосе печатает?» — уточняю я.

«Да разное. Недавно вот вырастили кристаллы белков коронавируса…»

Щитовидка биочернилами

Основное направление лаборатории — регенеративная медицина, иными словами, восстановление функции тканей или целых органов. Открыта еще в 2013 году как один из проектов группы компаний «Инвитро». Хесуани признается, что тогда это направление казалось фантастикой. Научным руководителем со дня основания стал Владимир Миронов, один из главных мировых специалистов по биопечати и биофабрикации, долгое время возглавлявший профильную лабораторию университета Северной Каролины (США). Собственно, именно он ввел в оборот понятия «биопринтер», «биобумага», «биочернила».

Точно так же, как обычный 3D-принтер компонует полимерные конструкции, можно создавать и биологические. Вместо чернил — клетки, которые в итоге образуют так называемые тканевые сфероиды (шарики микронного размера), содержащие в себе несколько тысяч живых клеток необходимого вида. Учитывая, что орган состоит из клеток разных видов, картриджей в биопринтере тоже несколько. А биобумага, то есть место закрепления биочернил, — чаще всего гидрогели или гели на основе воды.

В 2014 году «3Д Биопринтинг Солюшенс» разработала первый российский биопринтер Fabion. А уже в следующем году была напечатана щитовидная железа мыши. Сами авторы называют напечатанное не копией органа, а «конструктом»: по форме оно может и не повторять природный орган. Однако в случае с железой это и не важно — главное, что этот «конструкт» полностью выполняет полагающиеся органу функции. Новость об этом тогда облетела весь мир.

Пошутили и… запустили

«Как возникла идея проводить эксперименты в космосе?» — вспоминаю я свой главный вопрос, отвлекаясь от созерцания принтера.

На одной из научных конференций Владимир Миронов познакомил Хесуани с профессором Димерчи из Стэндфордского университета. Они обсудили возможность 3D-печати клетками безо всяких биогелей. При отсутствии посторонних поверхностей срастание клеток между собой произойдет быстрее. Технически это как если бы обычный принтер выплескивал чернила не на бумагу, а в пустоту. В нормальных земных условиях капли просто упадут на пол. А в невесомости они повиснут, сохранив созданный принтером рисунок. Облако из капель просто застынет в пустоте. Используемые вместо обычных чернил живые клетки срастутся между собой. И «рисунок» можно будет буквально взять руками.

Отсутствие гравитации, точнее связанных с ней нагрузок на создаваемые биопринтером хрупкие конструкции, упрощает много других задач. Например, удобно печатать (выращивать) трубчатые и полые органы: они не «схлопываются» под собственным весом. Хесуани и Димерчи тогда пошутили, что идеальное место для подобных экспериментов — МКС. В итоге шутка превратилась в идею, и лаборатория обратилась в Рос­космос с запросом на такие эксперименты.

По словам Хесуани, исследования на станции до этого проводились только в рамках Федеральной космической программы (ФКП) — бесплатно, в интересах различных государственных ведомств. Или строго на коммерческой основе — с полным покрытием всех издержек Роскосмоса. Но «3Д Биопринтинг Солюшенс» удалось договориться на промежуточный вариант, когда заказчик в лице частной лаборатории разрабатывает научное оборудование для экспериментов и проводит необходимое тестирование для отправки его на борт. А Роскосмос берет на себя все прочие расходы — по доставке его на МКС и возвращению, задействованию ресурсов. При этом полученные результаты эксперимента используются совместно.

«Для меня было удивительно, что Госкорпорация готова идти на диалог с небольшими участниками. В итоге коллеги с обеих сторон проделали колоссальную работу по формированию нового типа соглашений, а мы стали первопроходцами», — резюмирует Хесуани.

И уже в 2018 году на МКС начались эксперименты с клетками щитовидной железы мыши и хрящевой ткани человека.

Лепка в невесомости

Отсутствие гравитации несет в себе и минус: нет необходимого прижима выплескиваемых 3D-биопринтером клеток друг к другу. Поэтому логичным было рассмотреть возможность использования для этого «магнитных ловушек».

«Если кратко, то в космосе мы разными способами распределяем клетки в трехмерном пространстве, одновременно со всех сторон, как будто лепим снежок. Только вот эта «лепка» происходит не механически, а с помощью магнитного поля», — объясняет Хесуани.

Постепенно лаборатория стала проводить эксперименты не только в области регенеративной медицины, но и в таких областях, как вирусология, бактериология, материаловедение и др. Произошло это в каком-то смысле случайно. Сами по себе клетки к магнитному полю индифферентны: «лепящего» магнитного притяжения-­отталкивания не возникает. Поэтому клеточный материал вместо биогеля помещают в специальную питательную среду, содержащую в том числе соли гадолиния. Они придают ему свойство парамагнетика, позволяя удерживать материал в «магнитных ловушках». Но оказалось, что эти же соли используются при рентгеноструктурном анализе в кристаллографии. При этом кристаллизация белка — уже самостоятельная научно-технологическая задача, имеющая практическое применение.

Гравитации меньше — кристаллы больше

Как рассмотреть в микроскоп молекулу воды? Просто заморозив до превращения в лед. В этом состоянии вода образует кристаллическую решетку — кристаллизуется. А получить кристалл белка можно создав для его роста специфические условия, в том числе и в магнитном биопринтере на МКС.

Хесуани достает из Organ.Aut кювету. Этакую колбочку с рабочим объемом где-то с кубик сахара рафинада. Показывает на просвет: в желеобразном растворе отчетливо видны крошечные кристаллики.

«Какие мелкие…» — замечаю я.

«На сегодня это вообще рекордный размер кристаллов белков, которые были когда-либо выращены, — возражает мой собеседник. — До 1.7 мм. Они как раз были выращены в космосе — эти кюветы вернули с МКС в 2019 году. На Земле удается получить их в разы меньших размеров».

Хесуани поясняет, что кристаллизация белка — по сути это «получение слепка» его третичной, или, по-другому, пространственной, структуры. Ее изучение помогает определить свойства белка, то, как он взаимодействует с другими белками. Например: как вирус узнает наши клетки, чтобы прикрепиться и проникнуть в них. Соответственно, можно понять и как разработать защиту от этого.

Когда стало ясно, что при «лепке» биопринтером можно кристаллизовать белки, лаборатория плотно занялась этим направлением. Естественно, были привлечены несколько ключевых отраслевых партнеров, что помогло начать исследования на стыке кристаллографии, медицины и вирусологии.

Кристаллизовать белок можно и в земных условиях. Но в невесомости процесс идет быстрее, да и сами кристаллы получаются сверхчистыми, а главное, в два-три раза больших размеров, чем на Земле. Проще проводить изучение их структуры.

В продемонстрированной мне кювете — кристаллы белка лизоцима, их использовали для отработки технологий кристаллизации белков в невесомости. Но в этом году на МКС отправили и настоящие белки коронавируса. И их выращенные кристаллы уже доставлены на Землю.

Отдать в Китай?

Сама «3Д Биопринтинг Солюшенс» кристаллы лишь получает, но не изучает — этой частью эксперимента занимаются уже партнеры, в частности МФТИ. Раньше полученные образцы они отправляли для исследований в одну из лабораторий Гренобля (Франция). Но теперь в связи с политическими событиями французские коллеги прекратили сотрудничество с научными организациями из России. Сейчас в качестве замены рассматривается Китай.

«Такого опыта с ними еще не было — логистика и возможности китайских коллег еще не до конца известны. И, честно говоря, страшновато отправлять полученные в космосе кристаллы белков в качестве пробного шара. Мы сначала наработаем в Китае определенную статистику, отправим туда тот же лизоцим или что-то еще», — делится соображениями наш собеседник.

Ученым, естественно, не терпится получить результаты как можно скорее. Хесуани ждет предварительные данные исследований полученных кристаллов белков коронавируса уже до конца этого года. На самом деле это фантастически быстро для любого космического эксперимента.

«На все про все, с обучением космонавтов, отправкой, проведением эксперимента и возвращением результатов с МКС, ушло четыре месяца, — подтверждает он. — Обычно подготовка такого сложного эксперимента занимает от полутора до нескольких лет».

Белки коронавируса 18 марта 2022 году были доставлены на МКС пилотируемым кораблем «Союз МС-21». Эксперимент по их кристаллизации в биопринтере, уже находящемся на борту МКС, проводился в течение 8 дней.

Выращенные биокристаллы в специальных кюветах с тремя контурами защиты были возвращены на Землю 30 марта экипажем корабля «Союз МС-19» (Анатолий Шкаплеров, Петр Дубров, Марк Ванде Хай). В настоящее время ведется подготовка к их изучению. А к отправке на МКС готовится следующая партия белков коронавируса.

На МКС выращивали кристаллы двух белков: RBD-белка штамма «Омикрон» коронавируса (он находится на концах шипиков, которыми крепится к ACE2-рецептору клетки) и нуклеокапсидного белка (отвечает за высвобождение генетического материала вируса после его проникновения в клетку).

«Как RBD-белок штамма «Омикрон» коронавируса сцепляется с ACE2-рецептором клетки человека, пока описано лишь методами математического моделирования. Наш эксперимент подтвердит или опровергнет это. В случае же с нуклеокапсидным белком мы ищем способы заблокировать проникновение коронавируса в клетку, — терпеливо объясняет Юсеф практическое применение исследования. — Понимание этих процессов приведет к разработке более эффективных лекарственных препаратов. Важность их для человечества объяснять излишне — мы только что наблюдали двухлетнюю пандемию».

Невесомость – стресс для бактерий

У компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» довольно широкий спектр исследований. Например, создание восстанавливающей зубную эмаль пасты. В ее основе — фосфаты кальция. А идеальные условия их кристаллизации были подобраны как раз в космосе.

На МКС был поставлен и ряд экспериментов по изучению поведения бактерий в стрессовых условиях. Выяснилось, что в невесомости активируются гены, отвечающие за ускоренный метаболизм. Это позволяет сравнительно быстро получать новые штаммы бактерий для пищевой промышленности, используемых, например, в производстве кисломолочной продукции или дрожжевых культур. В целом эксперименты продемонстрировали, что в условиях космоса микроорганизмы могут проявлять самые неожиданные свойства.

«Число клеток микробиома внутри нас превышает количество клеток самого организма человека. Как они себя поведут в условиях длительных космических полетов?» — задает направление Хесуани.

Он напоминает, что освоение дальнего космоса ставит перед человечеством новые вызовы, как в начале эры великих географических открытий. Тогда, например, в дальних плаваниях моряки впервые столкнулись с цингой.

Спрогнозировать, как на человека повлияет новый космический фронтир, сейчас невозможно. Но своими экспериментами лаборатория уже готовит технологическую базу для изучения этих вопросов.

Материал опубликован в журнале «Русский космос»