Космическая кость: проведена операция по вживлению уникального фрагмента черепа крысе

Российские ученые впервые испытали материал с МКС в лабораторных условиях

Кости для больных с серьезными травмами в будущем будут, возможно, выращивать на орбите. Российские ученые впервые в мире синтезировали трехмерные аналоги костной ткани на борту российского сегмента МКС и испытали их на лабораторных крысах. О том, как прошла операция, чем отличаются космические кости от земных аналогов, – в материале «МК».

тестовый баннер под заглавное изображение

Полный или частичный перелом – весьма распространенное заболевание, которое исчисляется сотнями тысяч случаев в год. При легком переломе человеческие кости восстанавливаются сами за счет клеток остеобластов. Однако, при повреждениях костей, вызванных тяжелой травмой, организм бывает не в состоянии регенерировать утраченную костную ткань, и ее заменяют трансплантатами. Они бывают натуральными (из костного блока самого пациента) или искусственными.

Искусственные заменители костей давно выращивают в земных условиях, но ученые решили попробовать вырастить костную ткань в космосе – в условиях невесомости. Ведь обеспечение самодостаточности, автономности длительной космической миссии, к примеру, на Марс, является основной задачей для ученых. Пока не будут решены все проблемы, из-за которых миссия может быть прервана в любой момент ради спасения жизни космонавтов, полеты к другим мирам невозможны. 3D-производство биомедицинских материалов и устройств может стать решением этой проблемы.

Несколько лет назад «печать» органов и тканей стала возможна благодаря появлению так называемого магнитного биоассемблера (или биопринтера) — устройства, в котором молекулы собираются в полноценную ткань под действием магнитных полей. Этот прибор был доставлен на российский сегмент МКС.

Как сообщили в РНФ, в эксперименте, проведенном на борту Международной космической станции, а затем – на Земле, участвовали специалисты Института металлургии и материаловедения имени А.А.Байкова РАН, МГУ и ПМГМУ им. Сеченова и ряда других научных центров.

В качестве материала для будущей кости, который был отправлен на космическую станцию, был использован внеклеточный матрикс, который представляет собой композит, в основном состоящий из фосфата кальция, белков коллагена и воды. Фосфат кальция был выбран за то, что по своему химическому составу он очень близок к неорганическому компоненту кости.

Спустя двое суток после того, как компоненты поместили в биопринтер, в нем под действием магнитных полей сформировался пятимиллиметровый 3D-аналог костной ткани.

На Земле в то же время проводился контрольный эксперимент — в аналогичном магнитном биоассамблере ученые выращивали то же самое. Лишь одно условие отличалось в нем от космического – присутствовала земная гравитация.

Получив в итоге два разных «по происхождению» образца, ученые смогли сравнить их свойства. Выяснилось, что условия микрогравитации положительно повлияли на свойства материала: образцы с МКС, по сравнению с земными, имели более упорядоченную кристаллическую структуру. Благодаря отсутствию гравитации, кристаллы на основе фосфата кальция росли в космосе с абсолютно одинаковой скоростью во всех направлениях. Исследователи предположили, что такая строгая структура может способствовать лучшему «прилипанию» живых клеток, то есть, быстрее восстанавливать естественную костную ткань.

До последнего времени существовало лишь несколько новых биоматериалов, которые были испытаны в космосе, но ни один из них не был проверен в медицинских экспериментах. В данной работе российские ученые доказали, что синтетические конструкции костных трансплантатов, выращенные на борту МКС, способны функционировать в качестве материалов в доклинических (то есть, на животных) испытаниях на Земле.

Эксперимент, который проводился на лабораторных крысах, показал, что ученые не ошиблись: «космические» материалы, действительно, активнее земных аналогов стали стимулировать восстановление поврежденной ткани.

Испытания образцов проводились следующим образом. Ученые отобрали для работы 60 особей крыс-самцов с дефектами черепа (у них были вырезаны фрагменты кости на теменной области) и ввели в места повреждения образцы выращенной в 3D-биопринтере костной ткани. После этого исследователи раз в месяц отслеживали скорость приживления этих образцов. Первый результат проявился спустя три месяца – образцы с МКС и те, что были синтезированы на Земле, начали обрастать клетками новой костной ткани. А спустя пять месяцев исследователи увидели, наконец, и различия между имплантатами. Вокруг земных количество новообразованной костной ткани увеличилось незначительно, – она была видна только в виде отдельных островков или тонких ободков, а образцы с Международной космической станции, наоборот, образовали вокруг себя широкие ободки костной ткани.

Этот эксперимент, описанный учеными в научном журнале Biomedical Technology, может в будущем послужить основой разработки перспективных биомедицинских технологий для длительных космических миссий. Выращивание образцов костной ткани прямо на борту межпланетного корабля позволит восстанавливать повреждения, возникающие у космонавтов, без возвращения на родную планету.

Мало того, данная технология, которая оказалась более эффективна за счет микрогравитации, может положить начало новой биомедицинской специализации по выращиванию костей в космосе для нужд пациентов земных клиник, ведь костные трансплантаты из космоса могут пригодиться в хирургии и стоматологии.

Источник: www.mk.ru