Орган.Авт

Продукт
Разработчики: 3D Bioprinting Solutions (3Д Биопринтинг Солюшенс)
Дата премьеры системы: лето 2014
Дата последнего релиза: 2018
Отрасли: Образование и наука,  Фармацевтика, медицина, здравоохранение,  Электротехника и микроэлектроника,  Научно-исследовательские медицинские организации

Содержание

«Орган.Авт» — 3D-биопринтер, созданный лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions для выращивания тканей, а впоследствии и органов в условиях космической лаборатории. Также он может быть использован для изучения влияния факторов космического пространства на живые объекты при дальних полетах: выращенные в космосе из настоящих клеток образцы кожи, внутренние органы и т.д.

Принцип работы

Работа биопринтера основана на технологии магнитной левитации, которая позволяет ему эффективно создавать живые ткани и микроорганы в условиях невесомости. Название же "3D-биопринтер" является довольно условным: у устройства нет никаких движущихся частей, и процесс выращивания материала происходит не аддитивно, то есть послойно, а с использованием «формативного» принципа, когда образец растёт в сильном магнитном поле в условиях микрогравитации. По словам его разработчиков, это один из самых передовых на октябрь 2018 года методов, который только начинает применяться в технике. При этом использование технологии в космических условиях избавит ее от значительного недостатка — необходимости использования высоких концентраций токсичных парамагнетиков (солей гадолиния), которые нужны для проведения экспериментов на Земле. В конечном итоге это повысит выживаемость создаваемых клеточных структур.

Внутри прибора установлены камеры GoPro, с помощью которых можно наблюдать за ходом эксперимента.

Сферы применения

В перспективе эта методика, по мнению производителей устройства, может применяться для создания органов из доставленных на орбиту биоматериалов конкретных пациентов. У такого способа сразу два очевидных преимущества: не надо ждать, когда появится подходящий для пересадки донорский орган, и автоматически решается вопрос приживаемости. Еще одно возможное применение биопринтера — выращивание белковой пищи, например космического «фарша», который будет продолжать расти по мере его употребления.[1]

2019

Планы по разработке магнитно-акустической кюветы

7 декабря 2019 года стало известно, что 3D Bioprinting Solutions планирует разработать магнитно-акустическую кювету (съемные емкости, где печатаются микроорганы - прим. ТАСС) для биопринтера в течение 2020 года. Об этом сообщил директор по стратегическому развитию и инновациям компании "Инвитро" (один из инвесторов лаборатории) Дмитрий Фадин.

«
На декабрь 2019 года ведется работа по созданию нового типа кюветы. Планируем завершить разработку в 2020 году,
отметил Фадин
»

Ранее управляющий партнер лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани сообщил, что у компании есть планы по усложнению аппаратуры. По его словам, в усовершенствованной кювете акустические волны будут накладываться на магнитные, чтобы получить более сложную геометрическую форму печатаемых органов. Лаборатория сотрудничает с Объединенной ракетно-космической корпорацией.

Биопринтер "Орган.Авт" был доставлен на МКС в конце 2018 года. При этом первый биопринтер отправился на МКС 10 октября 2018 года на корабле "Союз МС-10". Однако доставить его на станцию не удалось из-за аварии ракеты-носителя. Затем, 3 декабря 2018 года на "Союзе МС-11" на МКС прибыл биопринтер-дублер, которые использовали для наземной отработки и тренировок космонавтов. На нем российский космонавт Олег Кононенко впервые в мире поставил эксперимент по выращиванию хрящевой ткани человека и щитовидной железы мыши в космосе. Полученные образцы доставили на Землю и передали для изучения специалистам.

Космонавт Роскосмоса Олег Кононенко провел в декабре 2018 года эксперимент по биопечати тканей щитовидной железы и хряща человека на орбите. Эксперимент был признан успешным. В сентябре 2019 года на МКС был проведен эксперимент по печати мяса из клеток коровы, кролика и рыбы. Он длился семь дней, размер полученных образцов мяса составил несколько миллиметров. На декабрь 2019 года исследования результатов экспериментов продолжаются на Земле[2].

Выращивание фрагмента костной ткани на МКС

25 ноября 2019 года Zdrav.Expert стало известно, что российские космонавты, работающие на Международной космической станции, с помощью биопринтера «Орган.Авт» создали фрагменты искусственной костной структуры с тканями из кальций-фосфатной керамики.

Российский космонавт Олег Кононенко, работающий с биопринтером `Орган.Авт` на МКС
Российский космонавт Олег Кононенко, работающий с биопринтером `Орган.Авт` на МКС
Микроструктура синтетического материала для тканевой инженерии / © `<!--LINK 0:18-->`, Институт металлургии и материаловедения <!--LINK 0:19-->
Микроструктура синтетического материала для тканевой инженерии / © `Известия`, Институт металлургии и материаловедения РАН
«
Мы используем биосовместимые материалы на основе кальций-фосфатной керамики, которые по своему составу практически идентичны неорганической составляющей настоящей кости: она состоит из схожего набора веществ. Особые свойства разработки достигаются за счет самоорганизации материала при физиологических температурах,
объяснил руководитель Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН Владимир Комлев
»

Работа биопринтера «Орган.Авт», созданного лабораторией биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions для выращивания тканей и органов, отличается от работы обычного 3D-принтера: он «печатает» не по слоям, а по принципу «лепки снежка», то есть объект создается со всех сторон одновременно.

«
Космонавтам удалось сформировать из керамических частиц фрагмент костной ткани сфероидной формы. После чего фрагменты начали взаимодействовать друг с другом, образуя устойчивые химические связи. Затем по поверхности сфероида равномерно распределили живые остеобразующие клетки, которые в дальнейшем сформировали тканеинженерную конструкцию,
рассказал Комлев
»

Тканеинженерная конструкция из биосовместимой кальций-фосфатной керамики и остеобразующих клеток / © `Известия`, Институт металлургии и материаловедения РАН
Тканеинженерная конструкция из биосовместимой кальций-фосфатной керамики и остеобразующих клеток / © `Известия`, Институт металлургии и материаловедения РАН

Первая партия материала для исследования была отправлена на МКС в августе 2019 года, а в начале октября образцы, созданные на борту станции, вернулись на Землю. На 25 ноября 2019 года с ними работают ученые.

Эксперименты по выращиванию тканей на орбите продолжат. В керамический состав планируют добавить стволовые клетки с ДНК человека - с их помощью структура будет нести в себе биоинформацию пациента, что улучшит приживаемость имплантов в организме. Кроме того, ученые планируют постепенно усложнять форму выращиваемых костей, приближая ее к характеристикам биологического оригинала[3].

«
Впоследствии мы собираемся усложнить геометрию создаваемых изделий, для чего добавим к базовому воздействию принтера звуковое излучение, которое будет работать вместе с магнитными волнами. Это позволит создавать трубчатые и ветвящиеся объекты, которые по своей форме будут соответствовать костям и сосудам человека,
отметил соучредитель компании 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани
»

Как объясняют ученые, эксперимент по выращиванию тканей в космосе позволит однажды иметь возможность быстро создавать костную ткань — например, в экстренных ситуациях, когда один из космонавтов получит травму — и проводить операции прямо в невесомости[4].

2018

Печать 12 органов и тканей в космосе

21 декабря 2018 года стало известно о том, что с помощью установленного на МКС отечественного 3D-биопринтера от компании 3D Bioprinting Solutions космонавты напечатали уже шесть человеческих хрящей и шесть щитовидных желез мыши. Об этом написало РИА «Новости» со ссылкой на сообщение 3D Bioprinting Solutions.

Находясь на МКС и на других гипотетических космических станциях, астронавты не могут получить медицинскую помощь при серьезных повреждениях, полученных на станции или при выходе в открытый космос. Что помочь в решении данной проблемы ученые из нескольких стран проводят на МКС эксперименты по печати органов и соединительных тканей человека в условиях микрогравитации. Ожидается, что в будущем эти эксперименты позволят восстанавливать поврежденные ткани, мышцы и органы в случае их повреждения на орбите или в космосе.

В ближайшее время компания «Инвитро» доставит созданные образцы тканей и органов на Землю и проведет их гистологические исследования. Предполагается, что первые результаты эксперимента будут опубликованы в 2019 году.

Российский эксперимент по печати органов на орбите начался 4 декабря. Тогда на 3D-принтере напечатали конструкт мышиной щитовидной железы.[5]

Россия первой в мире напечатала живые ткани в космосе

Медицинская компания «Инвитро» и биотехнологическая лаборатория 3D Bioprinting Solutions 12 декабря 2018 года сообщили Zdrav.Expert об успешном завершении первого этапа космического эксперимента «Магнитный 3D-биопринтер». 3 декабря «Органавт» был доставлен на МКС на пилотируемом корабле «Союз МС-11». Космонавт-испытатель Олег Кононенко впервые на орбите с помощью российского биопринтера напечатал хрящевую ткань человека и щитовидную железу грызуна.

На МКС состоялся первый в мире эксперимент по печати живых тканей на орбите

Совместный проект «Инвитро», 3D Bioprinting Solutions и госкорпорации Роскосмос при поддержке Фонда «Сколково» стал первым в истории экспериментом на орбите, инициатором которого выступила российская частная компания. 700 страниц подробного обоснования потребовалось от ученых, чтобы сделать хотя бы первый шаг к реализации проекта, полтора года продолжалась технологическая подготовка эксперимента с учетом всех условий МКС. Помимо технических и научных инноваций, в эксперименте был применен целый ряд новых организационных подходов, которые в дальнейшем могут быть транслированы на другие компании, работающие с госсектором в сегменте технологий космоса и инноваций.

По словам Андрея Диваева, руководителя направления НИОКР департамента бизнес-систем госкорпорации Роскосмос, партнерство с частной компанией в таком формате стало «уникальным опытом для госкорпорации», который поможет в дальнейших проектах с коммерческими компаниями.

Юсеф Хесуани, управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions, со своей стороны напомнил, что биологический материал, напечатанный в космосе, вернется на Землю 20 декабря на корабле «Союз МС-09».

В первой половине 2019 года 3D Bioprinting Solutions планирует подвести итоги космического эксперимента и опубликовать результаты. На февраль намечен американский космический эксперимент с использованием биопринтера, но российская команда уже стала первой, подчеркнули в компании.

«
Нам очень важно, чтобы российские ученые работали в России. Наша задача — вовлечь в научный процесс талантливую молодежь. Мы хотим создавать нечто новое, и хотим, чтобы у молодых людей в России было достойное образование, желание и возможности работать. Отрасль биопринтинга — как раз тот перекресток, на котором происходят настоящие технологические революции, — подчеркнул Александр Островский, генеральный директор «Инвитро», основатель 3D Bioprinting Solutions.
»

Как известно, биопринтер уже был на борту корабля «Союз МС-10» 11 октября 2018 года, экипаж которого вернулся на Землю через 20 минут после нештатной ситуации. Аппарат был спущен на землю в бытовом отсеке и значительно пострадал от перегрузок. В кратчайшие сроки был подготовлен его дублер и организовано повторное обучение экипажа. По словам Юсефа Хесуани, даже после аварийного спуска у аппарата поврежден только корпус, сам прибор исправен и вполне может послужить науке, его фрагменты будут переданы для экспозиции в Музей космонавтики на ВДНХ. Под обшивкой биопринтера находится символическая гравировка — 50 имен ученых, меценатов и всей команды, благодаря которым стал возможен проект «Магнитный 3D-биопринтер».

Работоспособность после падения с высоты около 70 км

16 ноября 2018 года появилась информация о том, что Российский космический биопринтер «Орган.Авт», который не долетел до Международной космической станции из-за аварии «Союз МС-10» и упал вместе с бытовым отсеком корабля с высоты около 70 километров, был поврежден, но сохранил работоспособность.

Биопринтер «Орган.Авт» после аварии
«
Мы изучили упавшую аппаратуру. У биоматериала, разумеется, выжить шансов не было. Сам биопринтер Organ.Aut при серьезных повреждениях внешней декоративной части остаётся в рабочем состоянии благодаря целостности магнитов. Я очень горд нашей командой, умеющей делать оборудование, которое остаётся в рабочем состоянии даже при падении из космоса, — заявил Юсеф Хесуани, управляющий партнер компании 3D Bioprinting Solutions, которая создавала биопринтер. — Для сравнения: камеры GoPro разбиты вдребезги.
»

Биопринтер «Орган.Авт» был разработан специально для работы в невесомости. Он работает со сфероидами диаметром около пары сотен микрометров, состоящими из живых клеток. Поскольку печать должна происходить в невесомости, принтер не выталкивает сфероиды через сопло, а собирает в центр печатающей области с помощью магнитного поля.

Перед запуском сам аппарат и кюветы с материалом печати были распределены по разным модулям «Союза» — принтер расположился в бытовом отсеке, а кюветы поместили в спускаемый аппарат. При аварии, в соответствии с логикой работы системы спасения, спускаемый аппарат отделился от бытового отсека и опустился на парашюте, бытовой отсек парашютами не оснащен и при падении был сильно поврежден.

По словам Хесуани, его коллеги готовят очередной экземпляр биопринтера к запуску «Союза», который должен стартовать к МКС 3 декабря. Проводить эксперименты с биопринтером будет российский космонавт Олег Кононенко.[6]

Гибель биопринтера во время аварии ракеты-носителя «Союз»

Первый российский биопринтер, предназначенный для создания живых микроорганов и тканей космосе, был потерян во время аварии ракеты-носителя «Союз». Об этом 12 октября 2018 года сообщил источник в ракетно-космической отрасли, передает «РИА Новости». Согласно предоставленной информации, устройство находилось в бытовом отсеке, который отделился от спускаемой капсулы корабля «Союз МС-10» и сгорел со всем содержимым при падении в атмосфере.

3D-биопринтер «Орган.Авт»

По словам управляющего партнера компании-создателя аппарата 3D Bioprinting Solutions Юсефа Хесуани, «Орган.Авт» должен был отправиться на МКС с целью развития технологий биопечати, тестирования новейших лекарств и оценки влияния радиации на развитие клеток. На биопринтере должны были провести первый в истории эксперимент по печати биологических объектов в космосе.

В частности, предполагалось, что экипаж МКС в ходе эксперимента попробует вырастить небольшие образцы щитовидной железы грызуна и хрящевой ткани человека. Биологический материал отправили вместе с принтером в специальном геле, который переходит при изменении температуры в жидкое состояние, создавая питательную среду.

По информации 3D Bioprinting Solutions, процесс выращивания занимает около суток. Затем в кювет нужно добавить фиксирующий материал. Биологические объекты могут храниться в таком состоянии на протяжении нескольких недель, до отправления на Землю.

Ракета-носитель «Союз-ФГ» с пилотируемым кораблем «Союз МС-10», стартовавшая 11 октября с космодрома Байконур, потерпела аварию на 165-й секунде полета. Спасательная капсула с космонавтом «Роскосмоса» Алексеем Овчининым и астронавтом NASA Ником Хейгом благополучно приземлилась близ Жезказгана в Казахстане, экипаж не пострадал.

Исполнительный директор «Роскосмоса» по пилотируемым программам Сергей Крикалев сообщил 12 октября, что непосредственной причиной аварии ракеты «Союз-ФГ» стало столкновение элементов при разделении первой и второй ступеней носителя.[7]

«Орган.Авт» отправится на МКС

Аппаратуру для проведения первого российского коммерческого эксперимента «Магнитный 3D-биопринтер», подготовка которого осуществляется в тесном сотрудничестве со специалистами Роскосмоса, РКК «Энергия» и ЦНИИмаш, планируется отправить на МКС, сообщили 10 октября 2018 года в компании 3D Bioprinting Solutions. Запуск корабля с принтером на МКС запланирован на 11 октября.

«
Нашей задачей было оценить техническую реализуемость данного эксперимента, обеспечить контроль над подготовкой необходимой аппаратуры — самого принтера и кювет для биоматериала — к условиям доставки на орбиту и полученных результатов — обратно. Помимо этого специалисты РКК «Энергия» организовали весь комплекс необходимых сертификационных процедур для такого рода оборудования в соответствии с действующими на МКС международными правилами по безопасности, — рассказал заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» Дмитрий Сурин.
»

Всего изготовлено два комплекта аппаратуры. Один — опытный образец — уже прошел все необходимые наземные автономные испытания в «Энергии» и Институте медико-биологических проблем РАН. Второй — тренажерный образец — использовался в процессе подготовки членов экипажей: основного (Алексей Овчинин) и дублирующего (Олег Кононенко). Тренировки в ЦПК с участием специалистов 3D Bioprinting Solutions и РКК «Энергия» уже завершены, все замечания и предложения космонавтов будут учтены.

Третий — лётный — образец аппаратуры для эксперимента «Магнитный 3D-биопринтер» готовится к отправке на МКС. Как отмечается, наибольшие трудности у ученых вызвала не адаптация процесса печати, а разработка специальной кюветы для доставки тканевых сфероидов на МКС, поскольку прежде подобные материалы в готовом виде на станцию никто не отправлял. Всего же в космос планируется направить 12 кювет с клеточными сфероидами мышей и человека. Кюветы будут заправлены химическими реактивами, необходимыми для фабрикации и последующего фиксирования выращенного материала, а также биообразцами, из которых будет выстраиваться конечная структура. По итогам первого этапа эксперимента ученые планируют получить образцы размером в 2-3 мм. Планируется, что это будет хрящевая ткань человека и щитовидная железа грызуна.

Внешнюю обшивку устройства было решено изготовить из допустимого для космических полетов композитного материала ZEDEX, обладающего высокой износостойкостью. При этом для основного корпуса была выбрана классическая нержавеющая сталь. Разработчикам удалось сделать максимально компактную конструкцию, габариты которой по длине, ширине и высоте составляют 25, 15 и 19 см соответственно. Благодаря этому она будет легко помещаться в уже работающий на станции клеточный инкубатор.[8]

Биологические образцы очень чувствительны к времени хранения, поэтому эксперимент необходимо начать непосредственно после прибытия космонавтов и аппаратуры на МКС. Результаты эксперимента должны вернуться на Землю зимой 2018 года. Встречать прибывшие с орбиты биообразцы будет специалист РКК «Энергия», который обеспечит их оперативную доставку биологам — заявителям эксперимента (представителям лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions).

Предполагается, в дальнейшем биопринтер может использоваться как заявителями эксперимента, так и сторонними научными коллективами. Его назначенный срок службы составляет пять лет.

2016

Старт проекта «Магнитный 3D-биопринтер»

По информации 3D Bioprinting Solutions, проект «Магнитный 3D-биопринтер» стартовал в 2016 году, когда было подписано соглашение с РКК «Энергия» (госкорпорация Роскосмос) о проведении эксперимента на российском сегменте МКС. Ученым было важно проанализировать, как влияет космическая микрогравитация на эффективность процесса создания живых тканей и органных конструктов.

Рабочий прототип

Рабочий прототип биопринтера появился осенью 2016 года, после чего начались его испытания, включавшие пробные работы в невесомости.

Для имитации космических условий в пределах земной лаборатории ученые воспользовались сверхмощной магнитной установкой университета Неймегена (Нидерланды), с помощью которой создавался эффект микрогравитации (индукция использовавшихся при эксперименте магнитов составляет 19 тесла). Для финансирования данного испытания компанией 3D Bioprinting Solutions был получен грант Евросоюза. По итогам испытания разработчики увидели, каким образом принтер будет вести себя на МКС, и произвели все необходимые настройки.

«
В рамках испытаний биопринтера мы использовали три основных подхода, — рассказал соучредитель и управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Первый из них — это тестирование устройства в земных условиях с применением слабых магнитов при высоких концентрациях солей гадолиния для формирования магнитной ловушки. Затем мы снизили концентрацию этих веществ на два порядка и создали необходимую микрогравитацию с помощью супермагнитов (это наш эксперимент в Нидерландах). Третий и самый главный этап будет проводиться уже в российском сегменте МКС в условиях естественной невесомости при минимуме концентрации парамагнетиков и со слабыми магнитами.
»

2014: Первый образец

Летом 2014 года специалисты компании 3D Bioprinting Solutions под руководством профессора Владимира Миронова создали первый отечественный биопринтер.

Примечания



СМ. ТАКЖЕ (2)