Ученые из России, Латвии и США опубликовали в Science Advances статью, описывающую эксперимент по печати клеточных конструктов с помощью магнитного биопринтера, который прошел на МКС в 2018 году. Анализ полученных образцов, проведенный на Земле, показал, что печать позволяет создать конструкты с соединенными клетками и высокой выживаемостью.

3D-печать давно используют в исследованиях по созданию искусственных аналогов органов из раствора с настоящими клетками соответствующего типа. Пока готовые к пересадке органы на них не печатают, однако примитивные прототипы создавать уже можно. Кроме того, с их помощью можно создавать тканевые конструкты для изучения влияния внешних условий на клетки.

В частности, несмотря на то, что уже десятки лет на орбите летают космические станции с научным оборудованием, данных о влиянии невесомости и повышенной радиации на живые организмы пока мало и космические 3D-принтеры могли бы стать удобным инструментом для проведения медико-биологических исследований.

Но классическая 3D-печать основана на послойном нанесении вещества, а следовательно, использует силу тяжести для удержания слоев, пока они не застыли. Послойную печать можно реализовать в космосе, увеличив вязкость и адгезию материала печати, что в случае с биологическими гидрогелями-прекурсорами это часто невозможно, либо с помощью центрифуги или другого аппарата для имитации силы тяжести, но это излишне усложняет и без того непростую конструкцию.

Российские ученые и инженеры из компании 3D Bioprinting Solutions в 2018 году создали биопринтер «Орган.Авт» для космических условий, который использует не послойную печать, а магнитное выталкивание клеток в центр области печати. Если точнее, принтер работает не с отдельными клетками, а с их наборами, которые готовятся на Земле.

Для этого клетки (в этом исследовании использовались хондроциты — клетки хрящевой ткани) вместе с поддерживающим раствором-культурой помещают в сферические сосуды и дают им соединиться, сформировав внеклеточный матрикс. В результате ученые получали сферы со средним диаметром 300 микрометров.

Сферы с хондроцитами помещают в большие комбинированные кюветы вместе с гидрогелем, который ниже 21 градуса Цельсия превращается в золь, а выше — в гель. В другой сосуд кюветы помещается формальдегид для фиксации полученных образцов перед отправкой на Землю.

Кроме того, в ней есть гадобутрол — парамагнитный агент, который обычно применяют как контрастное вещество в МРТ.

Все кюветы загружаются в принтер и магниты сложной формы (вместе они образуют полый цилиндр с круглыми вырезами по бокам) выталкивают парамагнитные частицы в центр рабочей зоны кюветы, а вместе с ними направляют в центр и сферы из хондроцитов. После того, как сферы собрались в единую структуру, кюветы два дня выдерживают при температуре 37 градусов Цельсия и фиксируют с помощью формалина.

Изначально «Орган.Авт» отправили к МКС на космическом корабле «Союз МС-10», однако во время полета произошла авария, поэтому принтер доставили на станцию во время следующей миссии 3 декабря 2018 года, а уже 5 числа космонавты начали эксперименты на нем. 20 декабря кюветы с напечатанными конструктами «спустил» на Землю корабль «Союз МС-09», и материалы эксперимента передали ученым для анализа.

Схема всего эксперимента, включая доставку образцов на МКС и обратно / Vladislav Parfenov et al. / Science Advances, 2020

Гистологическое исследование показало, что отдельные сферические частицы соединились в единый конструкт. Кроме того, почти полное отсутствие веществ-маркеров показало, что в конструктах перед фиксацией формалином почти не происходил апоптоз (при нем выделяется фермент каспаза-3, которого ученые почти не обнаружили) и пролиферация (этот процесс можно обнаружить по белку KI-67, но его также было крайне мало в конструктах).

Фотографии конструктов после печати и гистологических препаратов, исследованных на Земле / Vladislav Parfenov et al. / Science Advances, 2020

Авторы сделали вывод, что в целом метод показал свою пригодность. При этом они отмечают, что применяемый для сбора сферических частиц гадобутрол токсичен, и его концентрацию необходимо будет уменьшать в будущих исследованиях. Также они планируют технически модифицировать процесс, добавив ультразвуковые излучатели, которые будут дополнять магниты в качестве создателей движущей силы для сфер. Излучатели они планируют добавлять в кюветы без необходимости в модификации принтера, который остался на МКС и готов к новым исследованиям.