4 декабря 2018 года российский космонавт Олег Каноненко провел на Международной космической станции эксперимент. Он распаковал шестиглазый, похожий на фотоаппарат-мутант магнитный биопринтер Орган.Aut и вставил в одну из «глазниц» картридж со слизистым содержимым. Магнитная ловушка заработала, и в картридже началась левитация — микроскопические шарики, клеточные сфероды, потянулись к центру, формируя небольшой комок.
Через несколько десятков часов этот сгусток биомассы превратится в щитовидную железу мыши. И будет установлен новый космический рекорд — Россия первой в мире напечатает живые ткани за пределами планеты.
Впрочем, скоро об этом все забудут. Хаос — капризная штука: сегодня ты печатаешь органы на орбите, а завтра твою планету охватывает пожар пандемии. Новость об эксперименте широко не тиражировалась, а потом и вовсе утонула в водовороте потрясений. Но мы не смогли пройти мимо столь многообещающей темы, как биопечать в микрогравитации.
Если вам тоже интересно, зачем вообще печатать ткани в космосе, почему этим занимаются и в Роскосмосе, и в NASA и ESA, а также какие перспективы у технологии (орбитальные премиум-лабы про производству органов для миллионеров?) — давайте разбираться.
Почему космос?
Космос — гиблое место. Здесь выходит из строя все, что работает на Земле: жидкости не текут вниз, кровь скапливается в голове, мышцы стремительно деградируют, кости теряют плотность. Любой космонавт, проведший на орбите больше месяца, сталкивается с целым набором физиологических проблем: нарушение терморегуляции, изменения в иммунной системе, потеря костной массы (до 1–2% в месяц), атрофия мышц, ухудшение зрения. Но не стоит обсуждать эти страшные подробности с клеточными биологами — ведь для них мертвый космос — идеальная среда для выращивания органов и тканей.
На Земле биопечать сталкивается с банальной, но неразрешимой проблемой: гравитация давит. Чтобы напечатать сложный орган — например, сердце — нужно выкладывать слой за слоем тысячи клеток, при этом нижние ряды сразу оказываются под весом верхних и страдают от деформации и гипоксии.
Отдельная беда — сосуды: градиент давления заваливает сосудистые структуры на манер Пизанских башен, расплющивает стенки, закрывает просветы. Чтобы клетки не погибли до того, как орган будет завершен, у биоинженеров есть целый арсенал инструментов: создаются скаффолды (каркасы), заливаются растворимыми «жертвенными биочернилами» искусственные сосудистые каналы, клетки усаживаются в вязкие биогели, но в конечном счете все эти структуры мешают клеточному взаимодействию и, соответственно, тканевому росту.
Выход очевиден — если гравитация мешает, значит, надо от нее избавиться. В космосе клетки не оседают, не деформируются и могут свободно организовываться в трехмерные структуры.
Есть и кое-что еще — на орбите за счет отсутствия конвекции и оседания быстро вырастают крупные и хорошо организованные кристаллы, что критично, например, для выращивания светочувствительных белков искусственной сетчатки.По тем же причинам прекрасно чувствуют себя коллагеновые волокна — формируется равномерная 3D‑сетка, что важно, к примеру, для упругости мениска — качество «космических» менисков заметно превосходит качество их земных аналогов.
Принтер с левитацией: как работает Орган.Aut?
Идея биопечати в микрогравитации давно витала в воздухе — в прямом смысле: ее опробовали в параболических полетах в США и РФ. Однако 20 секунд явно недостаточно для создания даже простейшей ткани, поэтому была предложена более серьезная альтернатива. Идея возникла у команды российской компании 3D Bioprinting Solutions, основанной в 2013 году — внезапно — владельцем лаборатории «Инвитро» Александром Островским. Так появился концепт Орган.Aut — магнитного биопринтера, разработанного специально для работы на МКС.
3D Bioprinting Solutions начала работу над принтером в 2016 году. Основой концепта стала идея использования магнитной левитации (magnetic levitational bioassembly) вместо привычной экструзии (выдавливания через тонкую иглу на подложку послойно). При таком подходе клетки не липнут к соплу (главная беда классических экструзивных принтеров), не взаимодействуют с другими поверхностями, могут свободно мигрировать и объединяться, создавая жизнеспособную структуру.
Вот как происходит печать (а по сути — сборка)
В картридж помещаются сфероиды — выращенные в специальных «лунках» компактные шарики из клеток (размером около 2 мкм, по 4–8 тысяч клеток в каждом). Из сфероидов можно создавать трехмерные структуры без использования дополнительных биогелей.
Перед печатью к сфероидам впрыскивают наночастицы парамагнетика — например, гадолиния — в гораздо меньшей (и менее токсичной) концентрации, чем потребовалось бы на Земле. Это связано с тем, что в условиях микрогравитации магнитному полю нужно не уравновешивать силу тяжести, а лишь направлять клетки.
Картридж вставляется в принтер, где включаются магниты — магнитная ловушка направляет сфероиды так, чтобы они самособирались согласно заранее настроенной трехмерной геометрии.
Затем клетки переносят в инкубатор, где в течение суток те самостоятельно сливаются в плотные тканевые структуры.
Органоид консервируется формальдегидом для возвращения на Землю и изучения.
Вуаля — по окончании первой сессии экспериментов 2018 года вы имеете шесть щитовидных желез мыши и шесть фрагментов хряща (все размером до 0,5 см)!
Что еще напечатал Орган.Aut?
За семь лет, прошедших со старта, проект неплохо набрал обороты. Вот таймлайн основных событий с перерывом на пандемию (и элементами экшена).
2018
После печати щитовидок и хрящей аппарат вместе с кораблем «Союз МС‑10» пережил аварию и падение с высоты 70 км (!). Несмотря на разрушение корпуса, магнитная система и функциональность устройства сохранились, и теперь этот экземпляр принтера можно увидеть в Музее космонавтики.
2019
Летом материалы с борта МКС были доставлены на Землю и переданы на анализ в Институт медико‑биологических проблем РАН. Ученые начали сравнение наземных и орбитальных образцов — анализ подтвердил лучшую структурную целостность тканей по сравнению с земными аналогами.
Осенью были напечатаны мышечные волокна — иными словами, мясо — коровы, рыбы, кролика. Помимо этого космонавты вырастили фрагмент костной ткани. Сначала из имитации костной неорганики — кальций-фосфатной керамики — собрали сфероид, затем на его поверхности равномерно распределили остеообразующие клетки. Те начали взаимодействовать и образовали тканеинженерную конструкцию.
2020
12 апреля начался эксперимент по биопечати неорганических компонентов костной ткани крысы. Печать длилась несколько дней, после возвращения образцы пересадили крысам для дальнейших наблюдений. Цель — проверить, насколько хороши эти материалы в качестве каркаса после роста в условиях космической радиации.
2024
12 апреля впервые в мире на МСК были напечатаны полые органы. Клетки наносились на термоактивируемую пленку памяти формы: при температуре тела (36 °C) в магнитном поле она сворачивалась в трубчатые структуры. Образцы отправились на Землю для исследования.
А что у NASA и ESA?
Здесь все пошло иным путем, с которым связана довольно забавная история. Решение, как это часто бывает, зародилось на стыке технологий — когда клетки были напечатаны на офисном струйном принтере. В 1988 году американец Роберт Клебе (Robert J. Klebe) адаптировал HP-устройство для двумерной печати суспензией с живыми клетками, которую он назвал «клеточным письмом» (cytoscribing). Первые серийные биопринтеры также были струйными (inkjet). Потом появились и магнитные разработки, но в космос полетели уже проверенные временем экструзионные.
Что же они напечатали к 2025 году?
BFF‑Cardiac и BFF‑Meniscus/Meniscus‑2
Страна: США (NASA)
Разработчик: Redwire (Techshot)
Принтер: BioFabrication Facility (BFF)
Принцип: экструзия, биочернила с гидрогелями, мезенхимальными (становятся соединительной тканью) и плюрипотентными (их можно превратить в любые другие) стволовыми клетками.
Что напечатано:
Кардиомиоциты (сердечная ткань) человека. Повреждения сердца в результате, например, инфаркта покрываются рубцовой тканью, поскольку кардиомиоциты не делятся. Это ухудшает функцию сердца. Патчи из кардиомиоцитов могли бы очень помочь в лечении сердечно-сосудистых заболеваний, но более плотные слои биогеля при выращивании на Земле мешают клеткам синхронно сокращаться.
Мениск человеческого колена. Это хорошая тренировка: мениск — сложная ткань, но при этом не требует кровоснабжения, чтобы оставаться жизнеспособным.
Bioprint FirstAid
Страна: Германия (ESA)
Разработчик: OHB System AG, Германский центр авиации и космонавтики (DLR) совместно с учеными из Technische Universität Dresden (TUD).
Принтер: Bioprint FirstAid
Принцип: экструзия, ручной биопринтер-пистолет, который печатает тканевый патч из собственного тканевого материала пациента прямо на ране.
Что напечатано:
Прототипы тканевых патчей на моделях. На первом этапе тестировали не клетки, а флуоресцентные микрочастицы. Процесс прошел успешно, показав воспроизводимость и распределение покрытия. Технология пригодится для космических миссий будущего, включая дальние — пистолет не занимает много места и может ускорить заживление ран у астронавтов (в космосе оно идет неохотно).
Особое мнение — Protein-Based Artificial Retina Manufacturing
Страна: США (NASA)
Разработчик: LambdaVision Inc. совместно со Space Tango Inc.
Принтер: CubeLab
Принцип: отдельностоящая технология — сбор наноструктур методом послойного осаждения (layer-by-layer deposition).
Что напечатано:
200‑слойные пленки из светочувствительных белков улучшенной прозрачности и стабильности. Такие пленки могут стать отличным материалом при производстве искусственных сетчаток.
Хьюстон, у вас проблемы
Несмотря на неплохой прогресс в космической биопечати, гравитация (и ее отсутствие) пока не решает все проблемы. Так что напечатать себе дополнительную пару глаз для работы за монитором пока не получится.
Основные трудности, над которыми бьются космические биоинженеры, можно разделить на четыре вида:
Сосудистый вопрос
Даже самая тончайшая ткань не может жить без питания и отвода продуктов метаболизма. А потому ей нужен аппарат, имитирующий движение крови. Это затрудняется отсутствием гравитации — жидкость в таких условиях просто не течет. Сами сосуды при этом растут тоже плохо — чтобы стимулировать рост, опять же нужен ток жидкости. Словом, преимущество хрящам, а не трубчатым почкам в космосе отдается не просто так. Хрящевая ткань вообще не имеет кровеносных сосудов и получает питание путем простой диффузии. К тому же ее клетки отличаются крайне низким метаболизмом и могут долго существовать при низком уровне кислорода и питательных веществ
Проблема калибровки биочернил
Чернила могут быть менее вязкими, чем на Земле, что позволяет создавать более тонкие структуры. Но адаптация состава биогелей для производства особенно деликатных или структурно сложных тканей (мозга, печени) — по-прежнему головная боль.
Радиация, тесное пространство, стерильность
У МКС ограниченная вместимость, при этом приборы и реактивы нужно тщательно очищать — оборудование должно быть автоматическим, занимать минимум места, но работать без сбоев. Биологическая чистота критична, потому что в замкнутом пространстве микроорганизмы особенно опасны.
А будет ли ткань работоспособной на Земле?
Совершенно не факт. Так, мышцы, выращенные на МКС на коллагеновых каркасах, формируют короткие волокна, словно бы измененные в результате саркопении (возрастного истощения мышц), и утрачивают функциональность быстрее, чем их аналоги, напечатанные на Земле. Ткань печени вроде бы формируется более дифференцированной и функциональной, однако после перевозки ее на Землю легко разрушается из-за смены сред.
Что будет завтра
Но есть и хорошие новости. Медицинский бизнес (включая биопечать) постепенно перебирается на орбиту — сегодня это не единичные эксперименты, а растущая инфраструктура.
На МКС уже постоянно работает PIL‑BOX (Redwire, США) — девайс для научного и коммерческого выращивания кристаллов и белков по заказу фаркомпаний в условиях невесомости.
Varda Space Industries (США) разработала собственные возвращаемые капсулы, в которых можно производить фармацевтические препараты прямо в космосе. Капсула W‑1 стартовала в 2023 году, а в феврале 2024 успешно вернулась на Землю.
SpacePharma (Швейцария/Израиль) запустила мини‑лаборатории для микрогравитационных исследований (DIDO, NEXUS, SPAd‑серии).
Sierra Space совместно с фармкомпанией Merck готовит эксперимент по выращиванию кристаллов антител в рамках первой миссии Dream Chaser. Этот космический самолет способен мягко приземляться на обычную посадочную полосу, что делает его удобным для быстрой доставки чувствительных образцов. Первый полет запланирован на вторую половину 2025 года и будет осуществлен на ракете Vulcan Centaur.
Что еще хорошего
Разработчик Орган.Aut 3D Bioprinting Solutions планирует добавить к магнитной ловушке акустическую. Звуковые волны помогут перемещать сфероиды по дополнительным осям и получать конструкции более сложной формы (не просто трубки, а формы с изгибами, сегментацией, стенками разной толщины).
На 2026 год назначена установка в модуле Columbus МКС системы 3D‑BioSystem Facility. Это первая европейская платформа для 3D‑биопечати и культивации тканей в микрогравитации. В числе ее задач — печать кожи, хрящей, сосудов и выращивание фармкристаллов.
Возникает логичный вопрос — а зачем это все, если вывод 1 кг груза на орбиту с помощью SpaceX Falcon 9 стоит $3000, а полет на МКС на грузовом корабле Dragon или Cygnus, с учетом страховки, логистики и хранения, — десятки миллионов долларов за миссию? Очевидно, что даже напечатать непримечательный новый мениск (не говоря уже о заплатке на сердце) пока по карману только сверхбогатым космическим туристам.
Это, безусловно, так, и, наверное, пока в область биопечати нужно приходить не с запросом на новый орган, а скорее с горящим взглядом исследователя. Всего за семь лет создана неплохая база работ о свойствах ткани, оказавшихся доступными только в невесомости. Например, выяснилось, что в космосе клетки формируют более равномерную минеральную матрицу — без аномалий и деформаций, свойственных земным образцам, в которых на распределение частиц и остеогенных факторов влияет гравитация. Эта информация важна для разработки лечения остеопороза, ускоренного восстановления после переломов и создания более надежных имплантатов.
И даже все это — пока лишь начало. По мере удешевления запуска грузов и появления частных орбитальных станций шансы космоса стать полноценной R&D-платформой для биомедицины растут все быстрее. Это не фантазия, а вполне логичный вектор дальнейшего движения науки.