На борту МКС синтезирован материал для восстановления повреждений костной ткани

Ученые впервые изготовили 3D-аналоги костной ткани на борту российского сегмента Международной космической станции (МКС). Оказалось, что условия микрогравитации положительно влияют на свойства материала: по сравнению с земными, образцы с МКС имели более упорядоченную кристаллическую структуру. Более того, эксперименты на лабораторных крысах показали, что «космические» материалы активнее земных аналогов стимулируют восстановление поврежденной ткани. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biomedical Technology.

Длительные космические миссии, программы которых существуют у многих стран, в том числе и у России, могут потребовать производства биомедицинских материалов непосредственно в условиях космоса. Например, при переломах и других повреждениях костей космонавтам потребуются аналоги костной ткани. Такие материалы уже используются в клинической практике в земных условиях: их устанавливают, чтобы заменить поврежденную ткань и ускорить заживление кости. Однако ранее в условиях космоса получить их не удавалось.

Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (Москва) с коллегами впервые в мире синтезировали трехмерные аналоги костной ткани на борту российского сегмента МКС. Для этого использовался магнитный биоассемблер — устройство, в котором под действием магнитных полей из отдельных молекул собирается полноценная ткань. В качестве контроля такой же эксперимент — в аналогичном магнитном биоассамблере — ученые провели на Земле. Единственным отличием была земная гравитация, которая отсутствовала на МКС.

Авторы поместили в установку неорганический раствор (буфер) с порошком фосфата кальция — вещества, из которого формировался 3D-аналог костной ткани. Фосфат кальция выбрали потому, что по химическому составу он очень близок к неорганическому компоненту кости и обладает высокой биосовместимостью. Под действием магнитных полей из фосфата кальция как в земных условиях, так и на МКС за двое суток эксперимента сформировались образцы ткани размером около пяти миллиметров. Костные трансплантаты подобного размера широко используются на сегодняшний день в хирургии и стоматологии.

Полученные образцы доставили на Землю, где исследователи подробно изучили их микроструктуру и физические свойства. Авторы определили, что сформированные в условиях МКС аналоги костной ткани имеют более упорядоченную структуру, чем земные. Так, кристаллы на основе фосфата кальция в этом случае росли абсолютно с одинаковой скоростью во всех направлениях благодаря тому, что на них не действовала земная гравитация. Такая регулярная структура должна способствовать лучшему «прилипанию» живых клеток, а значит, более быстрому восстановлению естественной костной ткани.

Далее биологи провели доклинические испытания образцов, использовав их для восстановления дефекта черепа у лабораторных крыс. В место повреждения животным ввели образец ткани, после чего раз в месяц отслеживали изменения, которые произошли в месте повреждения. Уже спустя три месяца вокруг обоих вариантов образцов — с МКС и синтезированных на Земле — стали появляться отдельные клетки новой костной ткани.

Спустя пять месяцев восстановления авторы увидели различия между имплантатами. Так, в эксперименте с земными образцами количество новообразованной костной ткани увеличилось незначительно: появились только отдельные ее островки и тонкие ободки. Вокруг образцов с МКС, напротив, сформировались широкие ободки костной ткани. Это говорит о том, что материалы, синтезированные в условиях микрогравитации, способствуют более быстрому восстановлению повреждений, чем земные имплантаты. Вероятно, это связано с тем, что более регулярная структура «космического» материала оказывается лучшей основой для роста и деления клеток.

«Результаты данной работы наглядно продемонстрировали научную новизну и актуальность проводимых фундаментальных исследований в космосе. Разработанные "космические" материалы могут использоваться для замещения и регенерации дефектов костной ткани как на Земле, так и в длительных космических миссиях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Комлев, доктор технических наук, профессор РАН и МГУ, член-корреспондент РАН, директор ИМЕТ РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Первого Московского государственного медицинского университета имени М.М. Сеченова Минздрава РФ (Москва), Национального медицинского исследовательского центра радиологии Минздрава РФ (Москва), Лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions (Москва) и Казанского федерального университета (Казань).