俄羅斯宇航員在太空中3D打印出軟骨組織

2020年7月23日，南極熊從外媒獲悉，俄羅斯宇航員Oleg Kononenko在國際空間站上進(jìn)行了軟骨的生物打印，為太空旅行者提供了至關(guān)重要的價(jià)值，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)治療星際傷害的終極急救。這項(xiàng)新技術(shù)是與莫斯科的3D Bioprinting Solutions合作開發(fā)的。

Oleg Kononenko使用了一種新型的 "無支架 "組織工程方法，該方法由莫斯科公司3D Bioprinting Solutions 通過磁場實(shí)現(xiàn)

△俄羅斯宇航員3D打印軟骨組織

這種被稱為 "懸浮生物自組裝 "的方法，也可能為太空再生醫(yī)學(xué)的進(jìn)步鋪平道路，可用于宇航員離開地球數(shù)月或數(shù)年的長途太空旅行。他們使用了一個(gè)定制的生物自組裝機(jī)，避開創(chuàng)建支架的典型挑戰(zhàn)原因，Kononenko依靠磁場的拉力使細(xì)胞在微重力下自組裝。該方法不僅對(duì)組織工程領(lǐng)域總體上是令人鼓舞的，而且懸浮生物組裝也為太空再生醫(yī)學(xué)提供了巨大的潛力，如果太空旅行者受傷--而且長時(shí)間不回地球，這種方法可能是必要的。

△將組織細(xì)胞放置在溫控室中釋放軟骨細(xì)胞，然后將試管放入磁性生物組裝機(jī)中開始構(gòu)建組織

△組織自組裝的過程

由于有關(guān)微重力對(duì)人類軟骨影響的實(shí)驗(yàn)可能非常昂貴，所以之前只有兩項(xiàng)研究--成功地在支架等結(jié)構(gòu)上生長細(xì)胞。對(duì)于這項(xiàng)研究，在最近發(fā)表的《空間3D組織構(gòu)建的磁懸浮生物組裝》中概述，俄羅斯研究人員意識(shí)到使用磁懸浮生物組裝的潛在問題--主要集中在細(xì)胞毒性的問題上，因?yàn)獒彛℅d3+）螯合物一般用于此類工作。

"從理論上講，有三種可能的方法來降低順磁性介質(zhì)的不良毒性作用：
(一)開發(fā)低毒的Gd3+鹽類或替代順磁性介質(zhì)；
(二)在高磁場中進(jìn)行懸浮生物組裝；
(三)在微重力條件下進(jìn)行磁懸浮生物組裝。"作者解釋說。

(A)在熱可逆的非粘性水凝膠中填充軟骨球的比色皿，帶有順磁性釓布醇的培養(yǎng)基和固定液（福爾馬林）。B）在國際空間站上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的主要階段：通過冷卻到15°C，在37°C的3D組織結(jié)構(gòu)的磁性制造，然后固定的cuvettes激活。(C)將試管運(yùn)回地球。圖片來源：Vladislav A. Parfenov和Frederico DAS Pereira，俄羅斯莫斯科生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室 "3D Bioprinting Solutions"）。

對(duì)于這項(xiàng)工作，他們用無毒的Gd3+絡(luò)合物，使用COMSOL軟件創(chuàng)建一個(gè)必要的磁場模型，生物組裝成功。實(shí)驗(yàn)過程中需要兩個(gè)階段，包括磁場的配置（在國際空間站的環(huán)境溫度下進(jìn)行），然后研究組織球體的融合，因?yàn)樗鼈冮_始穩(wěn)定成實(shí)際的3D組織。

(A)磁鐵系統(tǒng)安裝在磁性生物組裝機(jī)中。(B)磁鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場。(C) 建構(gòu)體組裝過程的模型。(D)組裝后的模型形狀。(E)作為釓丁醇濃度和溫度的函數(shù)的構(gòu)造組裝的動(dòng)力學(xué)。圖片來自 "磁懸浮生物組裝的空間3D組織構(gòu)建"）。

作者解釋說："根據(jù)數(shù)學(xué)建模，組織球體融合完整性水平高于50％，在一些碎片中，它實(shí)現(xiàn)了90％以上的可能壓實(shí)，考慮到這一點(diǎn)，我們可以認(rèn)為，生物制造時(shí)間的拉長將使軟骨球體完全融合成一個(gè)單一的3D組織結(jié)構(gòu)。"

(A) 磁性生物組裝機(jī)內(nèi)的構(gòu)建體在太空中組裝的延時(shí)照片。(B)使用 "Surface Evolver "軟件對(duì)軟骨球融合成3D結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬。(C)真正的順序步驟的構(gòu)建生物組裝在空間;從時(shí)間推移視頻記錄快照。(D) 組裝好的3D構(gòu)建體返回地球的宏觀照片。(E)組織學(xué)[蘇木精和曙紅(HE)染色]和免疫組化[增殖標(biāo)記Ki-67和凋亡標(biāo)記Caspase-3(Casp-3)]的空間實(shí)驗(yàn)中組裝的3D組織結(jié)構(gòu)。圖片來源：美國賓夕法尼亞州Selinsgrove的Susquehanna大學(xué)的Kenn Brakke；俄羅斯莫斯科生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室 "3D Bioprinting Solutions"的Elizaveta Koudan）。

在宇航員被迫自我維持時(shí)，必須考慮疾病或損傷等問題，如果能夠在沒有支架的情況下再生骨骼或其他組織，就可以避免失去肢體或死亡。導(dǎo)致 "太空醫(yī)學(xué) "的出現(xiàn)，這樣的突破可能意味著載人的長期太空旅行將獲得更好的成功。

編譯自：3dprint