Bioprinter a koronavírus ellen, avagy bionyomtató az ISS-en

Kapcsolódó

Harmadszor is sikerült felvenni a kapcsolatot a SLIM holdi leszállóegységgel!

A japán űreszköz bravúros teljesítménye tovább folytatódik a Hold...

Napvitorla-technológiával indult idei ötödik útjára az Electron hordozó

Újabb küldetésre (Beginning Of The Swarm) indult a Rocket...

300. alkalommal tért vissza sikeresen egy Falcon-9 első fokozat

2015. december 21. előtt még sci-fi-be illő jelenet volt,...

A nap képe #1448 – Black Brant-IX indítás

Cindy Fuentes Rosal, a NASA mérnöke búcsút int a...

Ismét értékelhető adatokat küldött haza a Voyager-1

5 hónap után először sikerült megfelelő adattovábbítást végrehajtani az...

Az első orosz bionyomtató, a Fabion 2014-ben jelent meg. Segítségével kísérletet végeztek egy egér pajzsmirigyének nyomtatásával, amelyet később sikeresen befogadott a rágcsáló teste. A hír ezután az egész világot bejárta. A 3D Bioprinting Solutions laboratórium szakembereinek, és a kísérlet irányítóinak valamikor az az ötlete támadt, hogy bioanyagot nyomtassanak az űrben, hiszen a súlytalanság megfelelő környezet ennek a technológiának.

A 3D Bioprinting Solutions laboratórium asztalán valami szokatlan eszközt nyomtatónak hívnak. De akárhogy is nézzük alaposan, nem találunk sem patront, sem polimerszálas nyomtatófejet, sem egyéb a 3D nyomtatásra utaló jeleket. Forrás: Roszkoszmosz

Pajzsmirigy bionika

A laboratórium fő iránya a regeneratív medicina (orvostudományi ág mely az emberi és az állati test normál működésében bekövetkezett zavarokat ezek érzékelhető és kimutatható hatásait és tüneteit kezeli), vagyis a szövetek vagy egész szervek működésének helyreállítása. Még 2013-ban nyitották meg az Invitro cégcsoport egyik projektjeként. Vlagyimir Mironov, a világ egyik vezető bionyomtatási és biogyártási szakértője, aki hosszú ideig vezette az USA-ban található Észak-Karolinai Egyetem profillaboratóriumát, az alapítás napjától tudományos igazgató lett. Valójában ő vezette be a köztudatba a bionyomtató, biopapír, biotinta fogalmakat.

Mint ahogy a hagyományos 3D nyomtató polimer szerkezeteket állít össze, ugyanúgy biológiai szerkezetek is létrehozhatóak ezzel a nyomtatóval. A tinta helyett vannak olyan sejtek, amelyek végül úgynevezett szöveti szferoidokat (mikron méretű golyókat) alkotnak, amelyek több ezer élő sejtet tartalmaznak a kívánt típusúakból. Tekintettel arra, hogy a szerv különböző típusú sejtekből áll, a bionyomtatóban több patron is található. A biopapír pedig, vagyis a biotinta rögzítésének helye legtöbbször hidrogél vagy vízbázisú gél.

2014-ben a 3D Bioprinting Solutions kifejlesztette az első orosz Fabion bionyomtatót. A következő évben pedig egy egér pajzsmirigyét nyomtatták ki. Maguk a megalkotók a nyomtatottakat konstrukciónak nevezik: formáját tekintve nem feltétlenül egy természetes szervet ismétel meg. A mirigy esetében azonban ez nem fontos a lényeg az, hogy ez a konstrukció teljes mértékben ellátja azokat a funkciókat, amelyek a szervre támaszkodnak. 

A földi környezetben használt Fabion bionyomtató. Forrás: Roszkoszmosz

Viccnek indult, végül bevált

Az egyik tudományos konferencián Vlagyimir Mironov bemutatta Jusef Khesuani professzort a Stanford Egyetemnek, majd megvitatták a sejtek 3D-nyomtatásának lehetőségét biogél nélkül. Idegen felületek hiányában a sejtek egymáshoz való fúziója gyorsabban megy végbe, technikailag olyan, mintha egy rendes nyomtató nem a papírra, hanem az űrbe lövellné a tintát. Normál földi körülmények között a cseppek egyszerűen a padlóra esnek, viszont nulla gravitációban megfagynak, elmentve a nyomtató által készített „rajzot”. Egy cseppfelhő egyszerűen megfagy az űrben, a közönséges tinta helyett az élő sejtek együtt növekednek. A „rajz” pedig szó szerint kézzel is tapintható.

Jusef Khesuani az új bionyomtatóval amely már az űrben képes bioanyagot nyomtatni. Forrás: Roszkoszmosz

A gravitáció hiánya, vagy inkább az azzal járó terhelések hiánya a bionyomtató által létrehozott törékeny szerkezetekre, sok más feladatot leegyszerűsít. Kényelmesen tud pl. cső alakú és üreges szerveket nyomtatni (növeszteni): nem „zuhannak össze” saját súlyuk alatt. Khesuani és Mironov ezután azzal viccelődött, hogy az ISS ideális hely az ilyen kísérletekhez. Ennek eredményeként a viccből ötlet lett, és a laboratórium a Roszkoszmoszhoz fordult ilyen kísérletek elvégzésére. Khesuani tájékoztatása szerint az állomáson korábban csak a Szövetségi Űrprogram keretein belül folytak kutatások ingyenesen, a különböző kormányhivatalok érdekében, vagy szigorúan kereskedelmi alapon a Roszkoszmosz összes költségének teljes fedezésével. Ám a 3D Bioprinting Solutions-nek sikerült megállapodnia egy köztes megoldásban, amikor a megrendelő egy magánlaboratórium képviseletében tudományos berendezéseket fejleszt kísérletekhez, és elvégzi a szükséges vizsgálatokat, hogy felkerüljön a fedélzetre, és a Roszkoszmosz vállal minden egyéb költséget, az ISS-re való eljuttatását és visszahozását. Ebben az esetben a kísérlet eredményeit közösen használják fel.

„Számomra meglepő volt, hogy az Állami Részvénytársaság kész párbeszédet kezdeni kis résztvevőkkel. Ennek eredményeként a kollégák mindkét oldalról óriási munkát végeztek egy új típusú megállapodás kialakításán, mi pedig úttörők lettünk” – összegzi Khesuani.

Oleg Kononyenko 2018-ban a Nemzetközi Űrállomáson már javában emberi porcszövetekkel és egy egér pajzsmirigy sejtjeivel végzett kísérleteket a bionyomtatóval (balra tőle az asztalon). Forrás: Roszkoszmosz

Modellezés a súlytalanságban

A gravitáció hiányának van egy pozitívuma: nincs szükség a 3D bioprinter által kifröccsentett cellák egymáshoz préselésére, ezért logikus volt megfontolni a mágneses csapdák alkalmazásának lehetőségét.

„Röviden: a háromdimenziós térben különböző módokon osztjuk el a sejteket, egyszerre minden oldalról, mintha hógolyót csinálnánk. Csak ez a faragás nem mechanikusan, hanem mágneses tér segítségével történik” – magyarázza Khesuani.

A laboratórium fokozatosan elkezdett kísérleteket végezni nemcsak a regeneratív gyógyászat területén, hanem olyan területeken is, mint a virológia, bakteriológia, anyagtudomány stb. Maguk a sejtek közömbösek a mágneses térrel szemben, nincs mágneses vonzás-taszítás. Ezért biogél helyett speciális tápközegbe helyezik a sejtanyagot, amely többek között gadolínium sókat tartalmaz. Paramágneses tulajdonságot adnak neki, lehetővé téve az anyag mágneses csapdákban tartását. De kiderült, hogy ugyanazokat a sókat használják a röntgendiffrakciós elemzésben a krisztallográfiában. Ugyanakkor a fehérjekristályosítás már önálló tudományos és technológiai probléma, amelynek gyakorlati alkalmazásai is vannak.

Kevesebb gravitáció, több kristály

Hogyan nézzünk meg egy vízmolekulát mikroszkópban? Egyszerűen le kell fagyasztani, de csak addig amíg jéggé nem válik. Ebben az állapotban a víz kristályrácsot képez vagyis kikristályosodik. A fehérje kristályt pedig úgy kaphatjuk meg, hogy meghatározott feltételeket teremt a növekedéséhez, beleértve az ISS-en található mágneses bionyomtatót is.

Rekordméretű fehérje kristályok, amelyeket valaha is termesztettek 1,7 mm-ig. Kizárólag az űrben termesztették. Ezeket a küvettákat 2019-ben küldték vissza az ISS-ről. Forrás: Roszkoszmosz

Khesuani kifejti, hogy egy fehérje kristályosodása valójában harmadlagos. Vizsgálata segít meghatározni a fehérje tulajdonságait, hogyan lép kölcsönhatásba más fehérjékkel, pl. hogyan ismeri fel a vírus a sejtjeinket, hogy megtapadjon és behatoljon. Ennek megfelelően meg lehet tudni hogy hogyan lehet ez ellen védekezni. Amikor világossá vált, hogy bioprinterrel faragva lehet fehérjéket kristályosítani, a laboratórium ezt az irányt választotta. Természetesen több kulcsfontosságú iparági partner is bevonásra került, ami segítette a kutatás beindítását a krisztallográfia, az orvostudomány és a virológia metszéspontjában. A fehérje szárazföldi körülmények között is kristályosítható. De a súlytalanságban a folyamat gyorsabban megy végbe, és maguk a kristályok ultratisztáknak bizonyulnak, és ami a legfontosabb, kétszer háromszor nagyobbak, mint a Földön. Így felépítésüket könnyebb tanulmányozni.

Az I. bemutatott küvetta lizozim fehérje kristályokat tartalmazott, ezeket használták a súlytalanságban történő fehérjekristályosítási technológiák kidolgozására. Idén azonban valódi koronavírus fehérjéket is küldtek az ISS-re, a kifejlett kristályokat pedig már vissza is hozták a Földre. Forrás: Roszkoszmosz

Kínához kerülnek az eredmények?

Maga a 3D Bioprinting Solutions csak kristályokat fogad, de nem tanulmányozza azokat, a partnerek, különösen a MIPT, már részt vesznek a kísérlet ezen részében. Korábban a beérkezett mintákat az egyik grenoble-i (Franciaország) laboratóriumba küldték kutatásra, most azonban a politikai események miatt a francia kollégák leállították az együttműködést az oroszországi tudományos szervezetekkel. Most Kínát tekintik helyettesítőnek.

„Soha nem volt még ilyen tapasztalat velük, a kínai kollégák logisztikája és képességei még nem teljesen ismertek számunkra. Őszintén szólva ijesztő az űrből származó fehérje kristályokat próbaballonként elküldeni. Először Kínában dolgozunk ki bizonyos statisztikákat, oda küldjük ugyanazt a lizozimot vagy valami mást” – osztja meg gondolatait egy orosz szakember.

A tudósok természetesen alig várják, hogy a lehető leghamarabb eredményeket érjenek el. Khesuani ez év végéig várja az előzetes kutatási adatokat a megszerzett koronavírus fehérje kristályokról. „Négy hónapig tartott minden, az űrhajósok kiképzésétől az indulásig, a kísérletek elvégzéséig és az ISS-ről kapott eredmények visszaküldéséig” – erősíti meg. „Általában egy ilyen összetett kísérlet előkészítése másféltől több évig tart.”

A koronavírus fehérjéket 2022. március 18-án szállították az ISS-re a Szojuz MSz-21 emberes űrhajón. A már az ISS fedélzetén lévő bioprinterben végzett kristályosítási kísérletet 8 napon keresztül végezték. A három védőkörrel ellátott speciális küvettákban (laboratóriumi edény, mellyel oldatok optikai tulajdonságait mérjük) kinőtt biokristályokat március 30-án juttatta vissza a Földre a Szojuz MSz-19 űrhajó legénysége (Anton Shkaplerov, Pjotr Dubrov, Mark Vande Hei). Jelenleg folynak a tanulmányozásuk előkészületei. A koronavírus fehérjék következő adagját pedig előkészítik az ISS-hez való szállításra. Az ISS-en két fehérje kristályait növesztették: az Omicron koronavírus törzs RBD fehérjét (a sejt ACE2 receptorához kapcsolódó tüskék végén található) és a nukleokapszid fehérjét (amely felelős a genetikai felszabadulásért a vírus sejtbe jutása után).

„Hogyan kötődik az Omicron koronavírus törzs RBD fehérje az emberi sejt ACE2 receptorához, azt eddig csak matematikai modellezési módszerekkel írták le. Kísérletünk ezt megerősíti vagy cáfolja. A nukleokapszid fehérje esetében keressük a módját, hogy megakadályozzuk a koronavírus sejtbe jutását” – magyarázza a tanulmány gyakorlati alkalmazását Jusef. „E folyamatok megértése hatékonyabb gyógyszerek kifejlesztéséhez vezet. Felesleges magyarázni ezek fontosságát az emberiség számára, éppen most figyeltünk meg egy kétéves világjárványt.”

Súlytalanság, stresszes baktériumok 

A 3D Bioprinting Solutions cég meglehetősen széles körű kutatásokkal rendelkezik, pl. olyan fogkrém készítése, amely helyreállítja a fogzománcot, ami kalcium foszfátokon alapul. A kristályosodásukhoz ideális feltételeket pedig éppen az űrben választották ki, számos kísérletet is végeztek az ISS-en, hogy tanulmányozzák a baktériumok viselkedését stresszes körülmények között. Kiderült, hogy súlytalanságban aktiválódnak a felgyorsult anyagcseréért felelős gének, ez lehetővé teszi az élelmiszeripar számára az új baktériumtörzsek viszonylag gyors beszerzését, például fermentált tejtermékek vagy élesztőkultúrák előállításához. Általában a kísérletek kimutatták, hogy űrviszonyok között a mikroorganizmusok a legváratlanabb tulajdonságokat mutathatják. „A bennünk lévő mikrobióma sejtek száma meghaladja magának az emberi testnek a számát. Hogyan fognak viselkedni a hosszú távú űrrepülések körülményei között? — kérdezi Khesuani.

Miket tanulmányozhatunk a bionyomtató segítségével. Forrás: Roszkoszmosz / Fordítás: Spacejunkie.hu

Emlékeztet arra, hogy a mélyűr felfedezése új kihívások elé állítja az emberiséget, akárcsak a nagy földrajzi felfedezések korszakának kezdetén, pl. a hosszú utakon a tengerészek először találkoztak skorbuttal. Ma már lehetetlen megjósolni, hogy egy személy milyen hatásokkal fog majd találkozni az űrben távoli expedíciók során. A laboratórium azonban kísérleteivel már új technológiai megoldásokat készít ezeknek a kérdéseknek a tanulmányozására.

Az értékes minták a küvettákban. Forrás: Roszkoszmosz

Dark mode powered by Night Eye