Космический полет — настоящая проверка на прочность для человека. Под воздействием микрогравитации организм претерпевает изменения, и некоторые из них могут оказаться губительными в отдаленной перспективе. Поэтому сейчас, когда мир уже обсуждает длительные полеты за пределы Земли, важно понять, как микрогравитация влияет на здоровье на клеточном и тканевом уровнях. Пролить свет на этот вопрос призван эксперимент «МСК-2», поставленный на Международной космической станции учеными Первого МГМУ им. И.М. Сеченова. Программа стала одним из самых длительных биомедицинских экспериментов России на орбите. С 2019 г. на МКС побывали 11 серий биологических образцов, финальная вернулась на Землю на пилотируемом корабле «Союз МС-27» 9 декабря 2025 г.
Главная задача эксперимента — глубже изучить изменения, происходящие под действием микрогравитации в опорно-двигательной системе, а именно в хрящах и костях. Даже после длительной работы на низкой околоземной орбите у космонавтов фиксировались нарушения в хрящевой ткани: из-за исчезновения нагрузки в ней замедляется метаболизм и развиваются процессы деградации. Если речь пойдет о более долгом и сложном полете, например к Марсу, изменения могут оказаться гораздо более серьезными. Поэтому к старту долговременных космических миссий люди уже должны быть во всеоружии.
Ставить такие эксперименты на людях технически невозможно и неприемлемо с точки зрения этики. Поэтому вместо живых испытуемых на орбиту отправлялись упрощенные образцы человеческих тканей. Воссоздать для чувствительного груза условия реального организма помог специальный биореактор, разработанный Сеченовским университетом вместе с компанией «БиоТехСис». Компактная и в то же время очень сложная система поддерживала жизнь клеток на космической станции в течение нескольких недель.
Международная космическая станция.
С подробностями исследования корреспондента «Научной России» познакомил руководитель Центра инновационных коллагеновых разработок Сеченовского университета, кандидат биологических наук Артем Анатольевич Антошин.
«Биореактор “МСК-2” — это компактная научная аппаратура для культивирования клеток в условиях космического полета. Его основа — культиватор с гидравлической системой: культуральными ячейками, емкостями с питательной средой, насосами, соединительными магистралями и системой поддержания температуры. Питательная среда циркулирует по замкнутым контурам, поступает к клеточным образцам и помогает удалять продукты их обмена. В состав аппаратуры также входят укладки с кабелем питания, батареей доставки и устройством зарядки, обеспечивающие работу биореактора при доставке, на борту станции и при возвращении на Землю», — рассказал ученый.
Уникальную установку можно без преувеличения назвать космической: для работы в микрогравитации адаптирована вся ее конструкция — от механизма подачи питательных веществ до системы температурного контроля.
«Стандартный лабораторный инкубатор нельзя просто перенести на орбиту. В условиях микрогравитации меняется поведение жидкости, поэтому особенно важны герметичность, контролируемая подача питательной среды и устойчивость работы гидросистемы, — отметил А.А. Антошин. — “МСК-2” адаптирован к бортовым ограничениям: он компактен, работает в замкнутом режиме, поддерживает температуру и позволяет культивировать образцы с минимальным вмешательством экипажа. Для нас это принципиально, потому что клеточные модели должны сохраняться в стерильных и воспроизводимых условиях на протяжении всего полета».
Главная задача эксперимента «МСК-2» — глубже изучить изменения, происходящие под действием микрогравитации в опорно-двигательной системе, а именно в хрящах и костях.
Источник изображения: meenna / фотобанк 123RF
На первых этапах эксперимента нужно было понять, может ли биореактор в принципе поддерживать жизнеспособность клеток в космических условиях. Космонавты проверяли, как работает система, оценивали ее устойчивость и тренировались заменять питательную среду для клеток.
После того как базовое тестирование увенчалось успехом, на орбите стартовали полноценные исследования. Сложность образцов постепенно увеличивалась. Так, на ранних этапах в космическом биореакторе побывали мезенхимальные стволовые клетки (МСК), из которых развиваются клетки соединительной ткани (костей, хрящей, жира и др.). Именно благодаря им эксперимент получил свое название. А в дальнейшем в космос отправились непосредственно 3D-модели костной и хрящевой тканей.
Исследователи наблюдали за тем, как микрогравитация влияет на биологические материалы, и одновременно совершенствовали образцы, приближаясь к созданию стабильных моделей тканей для космических экспериментов.
«В разные годы в “МСК-2” отправлялись несколько типов клеточных и тканеинженерных моделей: клетки линии HepG21, мезенхимальные стромальные клетки человека, клетки в коллагеновых матриксах, хондроциты (клетки хрящевой ткани), хрящевые эксплантаты2 и трехмерные пеллетные культуры, — пояснил А.А. Антошин. — Постепенно мы увидели, что результат зависит не только от типа клеток, но и от формы их организации: клеткам важно иметь подходящее микроокружение, опору (например, губку из коллагена) или собственную плотную трехмерную структуру (мы посылали клетки в виде уплотненных шариков, пеллетов, и эта форма выращивания оказалась оптимальной для клеток хряща)».
1Клеточная линия HepG2 — линия опухолевых клеток печени, частично сохранивших свойства обычных клеток печени — гепатоцитов. Благодаря своим особенностям клетки HepG2 часто применяются в качестве моделей в различных биологических исследованиях, касающихся токсикологии, фармакологии и онкологии.
2Эксплантат — фрагмент живой ткани, выделенный из организма и перенесенный в искусственную среду для культивирования.
Работа с биоматериалами в космическом полете — задача с множеством условий, и биореактор «МСК-2» решает ее на отлично.
«Базовые требования для всех образцов похожи: стерильность, стабильная температура, поступление питательных веществ и удаление продуктов обмена. Но конкретные условия зависят от типа клеток и модели. Например, хондроциты, стромальные клетки и тканеинженерные конструкции могут требовать разного состава среды, различной плотности посадки, разных матриксов и разной длительности культивирования. Поэтому “МСК-2” важен как платформа, которую можно адаптировать под разные биологические задачи, сохраняя при этом стандартизованные условия эксперимента», — подчеркнул А.А. Антошин.
С образцами, вернувшимися из космоса, работают ученые из Института регенеративной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова. Исследователи изучают морфологию биологических моделей, особенности их метаболизма, состояние внеклеточного матрикса.
«После возвращения образцов мы используем комплекс методов, потому что один показатель не может полностью описать состояние клеточной модели. Жизнеспособность оценивается метаболическими тестами, например Alamar Blue, а распределение клеток в матриксе — с помощью световой, флуоресцентной и конфокальной микроскопии. Для оценки свойств хрящевой ткани применяются гистологические и иммуногистохимические методы, включая окрашивание на маркеры, связанные с хондроцитами. При необходимости добавляются молекулярные методы, которые позволяют оценить изменения в экспрессии генов и белков», — объяснил А.А. Антошин.
С образцами, вернувшимися из космоса, работают ученые из Института регенеративной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова.
Источник изображения: vitalii2021 / фотобанк 123RF
Орбитальные эксперименты подтвердили, что клетки человека могут выживать и развиваться в микрогравитации, а сами исследователи успешно научились формировать стабильные трехмерные модели костных и хрящевых тканей для изучения в космическом полете. Кульминацией многолетней работы стала отправка на МКС полноценных моделей хрящевой ткани человека — объемных сфероидов из хондроцитов.
«В последних экспериментах образцы культивировались в аппаратуре “МСК-2” в течение 13 суток без замены культуральной среды. Это время подбиралось как компромисс между биологическими задачами и техническими ограничениями: клеткам нужно достаточно времени, чтобы проявить реакцию на условия полета, но при этом среда должна сохранять способность поддерживать их жизнеспособность, — сказал А.А. Антошин. — На разных этапах длительность может варьировать в зависимости от циклограммы эксперимента, типа клеток и задач конкретного полета. Для будущих работ с более сложными моделями сроки также будут подбираться отдельно».
На финальном этапе эксперимента ученые испытали новый подход к защите суставов, который может пригодиться и на Земле — для лечения остеоартрита (слева — здоровый коленный сустав, справа — при патологии).
Источник изображения: guniita / фотобанк 123RF
Интересно, что на заключительной стадии эксперимента сфероиды из хондроцитов разделили на две группы: первая была контрольной, а вторую обработали специальным биоактивным веществом — лактоферрином. Исследователи предположили, что это соединение может защитить хрящевую ткань от опасных изменений, происходящих в условиях микрогравитации, — снижения метаболической активности и разрушения внеклеточного матрикса, служащего опорой для хондроцитов. Новый подход к защите суставов также может пригодиться на Земле для лечения остеоартрита. Ученым еще предстоит узнать, подтвердится ли эта гипотеза.
«Финальный этап позволил сравнить разные формы трехмерного культивирования хондроцитов и оценить, какая из них лучше подходит для дальнейшего усложнения модели. В частности, сравнение коллагеновых губок и пеллетов показало, что более плотная клеточная организация в пеллетах может быть перспективной для сохранения свойств хрящевых клеток после воздействия микрогравитации, — представил А.А. Антошин первые наблюдения. — Первичные выводы уже сделаны: проведены морфологический, иммуногистохимический, количественный анализы, а также статистические исследования. Обычно такая работа занимает несколько месяцев».
Достижения эксперимента «МСК-2» важны и для земной фундаментальной науки. В условиях микрогравитации можно моделировать дегенеративные процессы в костной и хрящевой тканях быстрее, чем при земном притяжении. Микрогравитация в целом открывает возможности для формирования более сложных и точных моделей биологических тканей, которые в дальнейшем можно будет использовать в различных исследованиях.
«Для земной медицины ценность таких экспериментов заключается в том, что космос позволяет изучать процессы, которые на Земле сложно воспроизвести в обычной лаборатории. Микрогравитация меняет поведение клеток, их взаимодействие с внеклеточным матриксом и способность формировать трехмерные структуры. Это важно для тканевой инженерии, где одна из ключевых задач — создание более реалистичных моделей человеческих тканей. В дальнейшем подобные модели можно использовать для изучения дегенеративных заболеваний, подбора лекарственных веществ и разработки новых подходов регенеративной медицины», — отметил А.А. Антошин.
В будущем данные, собранные во время эксперимента «МСК-2», могут помочь в выработке мер по поддержанию здоровья космонавтов.
Фото: космонавт Олег Артемьев / госкорпорация «Роскосмос»
Эксперимент «МСК-2» закладывает основу для более сложных космических исследований моделей человеческих тканей. Работу планируется продолжить в том числе на перспективной Российской орбитальной станции. Программа также позволила накопить ценный опыт по созданию ячеистых биореакторов для выращивания живых тканей. Стоит добавить, что в перспективе возможность выращивать живые ткани в космосе может пригодиться и непосредственно для оперативного оказания медицинской помощи во время полетов.
«Пока эти результаты следует рассматривать как фундаментальный и технологический задел, а не как уже внедренную медицинскую меру, — пояснил А.А. Антошин. — Мы изучаем, как клетки и тканевые модели реагируют на факторы космического полета, чтобы в дальнейшем перейти к поиску способов профилактики дегенеративных изменений. Такие данные важны для разработки более точных моделей повреждения костно-хрящевой системы у космонавтов. В перспективе они могут лечь в основу подходов к подбору биологически активных веществ или других контрмер для длительных миссий».
Среди кандидатов на отправку в космос в будущем — модели межпозвоночных дисков и комбинированные тканеинженерные конструкции.
«Следующий логичный этап — переход от отдельных клеточных моделей к более сложной биоинженерной модели межпозвоночного диска. В такой модели планируется воспроизвести ключевые элементы диска: пульпозное ядро, фиброзное кольцо, внеклеточный матрикс и особенности питания ткани. Это позволит изучать дегенеративные изменения позвоночника в условиях космического полета на более физиологичной модели. В дальнейшем также представляет интерес тестирование биологически активных веществ, которые потенциально могут замедлять или предотвращать повреждение соединительной ткани», — подытожил А.А. Антошин.
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источники
Комментарии А.А. Антошина
Сеченовский университет. На Земле и на орбите: как ученые Сеченовского университета ищут способ защитить суставы космонавтов
«Газета.Ru». Елизавета Авдеенко. Завершен шестилетний эксперимент по изучению влияния невесомости на человека
Biomedical Chemistry: Research and Methods, 7(3), 2024, e00239. V. Arzumanian, M. Pyatnitsky, I. Vakhrushev, K. Ptitsyn, S. Radko, V. Zgoda, O. Kiseleva & E. Poveryennaya. Molecular Profile of the HepG2 Tumor Cell Line
База знаний по биологии человека. Словарь терминов по биотехнологии В.З. Тарантула (электронная версия). Эксплантат (explant)
Фото на превью и на главной странице: пресс-служба Сеченовского университета.
Источники изображений на странице: госкорпорация «Роскосмос», meenna / фотобанк 123RF, vitalii2021 / фотобанк 123RF, guniita / фотобанк 123RF, Олег Артемьев / госкорпорация «Роскосмос».
