Навіщо астронавти друкують людські органи на орбіті

Нестача органів для трансплантації у всьому світі спонукає дослідників вивчати друк живої тканини на 3D-принтерах. Утім, для цього їм, можливо, знадобиться полетіти в космос.

Ендрю Морган бачив найстрашніше, що може трапитися з тілом людини. Він був військовим лікарем армії США і рятував солдатів, які постраждали від вибухів на полі бою.

"Я бачив втрату кінцівок та важкі поранення", - каже він. Спостерігаючи за тим, як повільно загоюються рани, Морган міркував - а що, якби нову тканину або навіть цілий орган можна було просто надрукувати?

"Пересадки тканин, виготовлених із власних клітин постраждалого, була б фантастичним рішенням", - каже він.

І саме тому протягом кількох місяців минулого року Морган проводив незвичайні експерименти - у відкритому космосі. Так, Морган - ще й астронавт NASA.

У квітні 2020 року він повернувся з МКС, де провів 272 дні. Поки він обертався навколо Землі на висоті 400 км, вчений створював живу тканину, клітину за клітиною, за допомогою 3D-принтера й речовини, яку він називає "біочорнилами".

"Це не дуже схоже на зміну картриджа для принтера вдома", - каже Морган про обладнання, яким він користувався.

"Ви вставляєте картридж і дозволяєте культурі розвиватися, а потім виймаєте касету з тканиною для аналізу".

Ось так просто. Але навіщо це робити в космосі? Морган та його колега Крістіна Кох пояснюють це тим, що сила тяжіння на Землі може зруйнувати тканину під час її друку на принтері.

"Тканинам потрібен якийсь тимчасовий, органічний каркас, який утримував би всі частини органу на місці, насамперед це стосується порожнин, як-от серцеві камери. Але досягти такого ефекту на Землі досить складно".

Мікрогравітаційне середовище МКС було ідеальним для випробування установки біофабрикації, яку транспортували на орбіту у 2019 році і мають оновити у 2021-му. Апарат, розроблений американськими компаніями Techshot і NScrypt, призначений для друку тканин людського організму, які здатні сформувати органи.

Спочатку Морган тестував друк тканини, близької до серцевої. Однак, зрештою, команда сподівається вдосконалити обладнання і друкувати в космосі цілі органи, які можна використовувати для трансплантації.

Друк людських органів - це не така вже й фантастика, як здається. Над створенням тканини з власних клітин організму працює декілька біотехнологічних компаній.

Зазвичай вони перепрограмують звичайні клітини у стовбурові методом, який відзначили Нобелівською премією. Стовбурові клітини теоретично здатні перерости у будь-яку частину людського тіла.

"Ми вже виготовили тканини, які успішно пересаджували тваринам, - наприклад, шкіру", - пояснює Ітедейл Редван, науковий співробітник Cellink, першої компанії, яка комерціалізує біочорнило.

"Нещодавно ми працювали над лазерним принтером, який дозволяє друкувати надзвичайно дрібні капіляри або судини. Можливість друкувати їх украй необхідна, але великим кроком буде трансплантація такої тканини людині".

За підрахунками Редвана, перша пересадка тканини, надрукованої на принтері, стане реальною за 10-15 років. Вчені вже довели, що надрукувати тканини та невеликі органи вже можливо.

У 2018 році команда Університету Ньюкасла надрукувала першу людську рогівку, а вчені з Тель-Авівського університету виготовили мініатюрне серце з серцевої тканини пацієнта.

З такої тканини можна буде виготовити пластирі для усунення вад серця.

Учені Мічиганського університету зробили ще один крок уперед. Вони надрукували маленьке людське серце зі стовбурових клітин, зімітувавши середовище, в якому розвивається плід. Воно дозволяє створити всі типи клітин і складні структури, необхідні для функціонування серця.

Але серце - це доволі простий орган, "помпа" з кількома камерами, які оточує м'язова тканина. Деякі дослідники наблизилися до створення складніших органів і тканин.

Група вчених з Інституту регенеративної медицини Вейк-Форест у Вінстон-Салем, штат Північна Кароліна, інтегрувала нервові клітини у надруковані м'язи. Це є ключовим для відновлення контролю та функціонування м'язів у майбутніх трансплантаціях.

Однак відтворення таких органів, як-от печінка та нирки, - складніше. Ці органи складаються з багатьох типів клітин, і вони наповнені мережами кровоносних судин і нервів.

Дженніфер Льюїс, професорка біоінженерії з Гарвардського університету зазначає, що повернути органу повноцінне функціонування - синхронність дій серця або фільтраційну функцію нирки - справа непроста.

Важливим кроком буде тиражування процесу органогенезу, який відбувається в ембріоні і при якому відтворюється багатоклітинна архітектура людської тканини та органів.

"Ми виявили, приміром, що функціонування штучно створеної тканини часто не таке досконале, як у живого організму, - каже Льюїс. - Поки що це мрія, але ми вже можемо побачити шлях до її реалізації за пару десятиліть".

Компанія BioLife4D, яка розробляє технології біодруку, наразі виготовляє біологічні компоненти для відновлення серця людини, а в перспективі - й ціле серце.

Компанія вважає, що існує багатомільйонний ринок різних компонентів серця, як-от клапани.

Як зазначає керівник компанії Стів Морріс, "можливо виготовити серця зі специфічним дефектом, щоби тестувати на них лікування".

Друкування органів з такою метою дозволить згодом зменшити число випробувань на тваринах. Утім, коли ми зможемо друкувати повноцінні органи, попит на них буде величезний. Наразі у світі дуже бракує донорських органів.

"Наприклад, на трансплантацію нирки у світі зараз чекає близько мільйона людей", - каже Льюїс.

За оцінками ВООЗ, щороку трансплантують близько 130 тис. органів, але це лише 10% від необхідних. Тільки у США у списках очікування на трансплантацію - 107 тис. пацієнтів.

Тим, кому пощастило отримати донорську трансплантацію, доведеться жити на імунодепресантах, щоби організм не відторгав "чужий" орган.

Але якщо новий орган надрукують за допомогою власних клітин, це може значно зменшити ризик відторгнення.

З огляду на такий попит і цінність надрукованих органів, витрати на їхнє виготовлення у космосі починають виглядати більш виправданими. Втім, установка біовиробництва на МКС коштувала 7 млн дол., до цього треба додати витрати на трансфер клітин та іншої сировини на орбіту та на безпечне повернення органів на Землю.

Налаштувати таке виробництво у великих обсягах проблематично. Це спонукає вчених пробувати відтворити середовище з низькою гравітацією на Землі для вирощування складних і ніжних органів.

Так, російська медична компанія 3D Bioprinting Solutions створила систему, яка має ефект левітації за допомогою магнітного поля.

Для декого, хто працює над розробками технологій трансплантації, це дуже особиста справа.

"Моя дочка народилася лише з однією легенею", - каже Кен Черч, генеральний директор компанії NScrypt, що розробила біопринтер, який Ендрю Морган застосував на МКС.

"Їй зараз 27 років, і вона живе з однією легенею. Але це змусило мене зайнятися тканинною інженерію тоді, коли про біодрук навіть і не йшлося, і я захопився цією ідеєю".

"Мене дуже непокоїть питання, чи зможу я виростити легені для своєї дочки, поки вона жива", - каже Черч.

Утім, варто подумати й про інші наслідки друку органів за бажанням. Така технологія вочевидь матиме глибокий вплив на суспільство, суттєво підвищивши тривалість життя.

Серцево-судинні захворювання наразі є основною причиною смерті на Заході. Від них помирає кожен третій чоловік. Але заміна серця на молодше і здоровіше потенційно може додати кілька десятиліть життя. Такою перспективою задоволені не всі.

"Нам надсилають скарги, в одному листі нас назвали "втіленням зла", - каже Морріс з BioLife4D.

"Автори стверджували, що ресурсів на Землі й так бракує, це приносить страждання багатьом людям, а продовження життя лише збільшить ці страждання".

Є й інші етичні питання.

"Як бути, якщо батьки вирішать замінити серце свого 12-річного сина на більше за розміром, щоби він став зіркою спорту ще в школі", - запитує Морріс.

"А якщо ми вирішимо перевершити еволюцію і надрукувати серце не з двома, а чотирма клапанами?" - продовжує дослідник.

Проте висока вартість надрукованих органів, якщо їх виростили на орбіті, може допомогти залучити людей, готових платити за ці технології.

"Можуть виникнути дуже спірні ситуації", - каже Раві Бірла, біоінженер із BioLife4D.

"Якщо замінити людині всі органи, то це вже буде не та сама людина, яка народилася, а інша істота".

Хоча наразі метою таких операцій є порятунок життя, згодом вони можуть стати популярними й у косметичній хірургії. "Трансплантація органів може стати також чимось на кшталт спортивного допінгу", - додає Бірла.

Але, мабуть, найбільшого драматизму друк органів досягне вже за межами Землі. Коли люди почнуть активно опановувати життя на Місяці, а потім на Марсі, біодрук стане важливим інструментом для підтримки життя.

За мільйони кілометрів від Землі донорів органів буде недостатньо, але також бракуватиме і чогось іншого - їжі.

"Згодом біодрук стане важливою технологією для дослідження далекого космосу - для друку клітин тварин, яких споживатимуть в їжу, або тканин організму для лікування", - каже головний фахівець компанії Techshot Юджин Боланд.

"А поки експерименти на МКС дозволяють виявити деякі секрети біодруку, потрібні, щоби процес запрацював на Землі. І це справжній прорив".

Прочитати оригінал цієї статті англійською мовою ви можете на сайті BBC Future.

Хочете поділитися з нами своїми життєвими історіями? Напишіть про себе на адресу questions.ukrainian@bbc.co.uk, і наші журналісти з вами зв'яжуться.

Хочете отримувати головне в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!

--