Среди стволовых-прогениторных (мало дифференцированных) клеток организма особое внимание привлекают стромальные мезенхимальные стволовые клетки костного мозга (МСК), т.к. они обладают не только выраженной пролиферативной активностью, способностью дифференцироваться в различные типы клеток мезенхимального происхождения (фибробласто-подобные, эндотелиоцито-подобные, остеобласто-подобные, хондроцито-подобные, кардиомиоцито-подобные и адипоцито-подобные клетки), но и выступать в роли регуляторов функций важнейших интегративных систем организма, повышая его резистентность к действию неблагоприятных факторов. Именно ткани мезенхимального происхождения, такие как костная, хрящевая и мышечная ткани особенно подвержены неблагоприятному воздействию факторов космического полета, что приводит к различным нарушениям функций органов опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистой системы.

Исследование реагирования клеток на микрогравитацию, приведёт к лучшему пониманию основных механизмов их функционирования в организме. Факторы, управляющие клеткой и функционированием ткани в космосе, обычно скрыты эффектами гравитации. Понимание и использование этих механизмов могло бы позволить повысить эффективных способов лечения для пациентов на Земле и адаптировать способы культивирования клеток в условиях космического полета с учетом факторов действующих в космосе.

Углублённое изучение механизмов клеточной регуляции в условиях воздействия факторов космоса может создать новые стратегические подходы для исследования болезнетворных процессов в условиях космического полета и способствовать разработке физиологически обоснованных медицинских контрмер для космических путешествий без поломки адаптационных систем организма.

Для проведения КЭ были получены и выращены культуры МСК из костного мозга человека и крысы и клетки мышиной гибридомы Т4 по стандартной методике.

Эксперимент выполняется в три этапа.

На первом и втором этапах эксперимента проведено по одному полетному эксперименту в период МКС-7 и МКС-8 (2004 г.) длительностью 11 и 14 суток с использованием имевшейся в то время в наличии укладки «Эмбрион». В ходе подготовки к проведению третьего этапа КЭ проводится разработка усовершенствованного культиватора клеток и проведение наземной отработки режимов работы НА «МСК-2».Объектами исследований в КЭ являлись культуры мезенхимальных стволовых клеток из костного мозга человека и крысы, а также клетки мышиной гибридомы Т4.

Для выполнения КЭ использовались культиваторы двух типов: без обеспечения возможности замены питательной среды и с обеспечением. КЭ в 2004 г. был приостановлен. С 2008 г. работы в рамках КЭ возобновились. Основное направление работ на данном этапе связано с оптимизацией конструкции культиватора и условий культивирования.

В 2014 г. планируется провести два сеанса КЭ.

Для решения задач, поставленных в первом КЭ, проводилось изучение возможности культивирования клеток в замкнутом объеме культиваторов без добавления свежей питательной среды. При этом были использованы культиваторы клеток типа БТС.054.210.000, изготовленные в НПП «БиоТехСис» не позволяющие вносить дополнительные объемы среды при культивировании клеток (рис.1). Культиваторы имели полезный объем для культивирования 2 мл и помещались в термостат (рис. 2).

Рисунок 1 - Схема культиватора БТС.054.210.000.

Рисунок 2 – Размещение укладки «Эмбрион» КЭ «МСК» в холодильнике-термостате «Аквариус» (МКС-7).

12 культиваторов БТС.054.210.000 помещались в укладку «Эмбрион», которая была доставлена на РС МКС в составе транспортного корабля «Союз ТМА-2» (рис.2). Аналогичная укладка из 12 культиваторов служила контролем и оставалась в лаборатории в наземных условиях при той же самой температурной циклограмме. Масса укладки 0,5 кг, габариты 170х130х70, энергообеспечение – не требуется. Характеристики термостатирующего контейнера «Аквариус»: масса – 10,3 кг, габриты 404х280х335, энергопотребление – 30 Вт, находится на борту, доставка не требуется.

Для решения задач второго космического эксперимента, при котором проводилось культивирование клеток с добавлением питательной среды, использовали культиваторы БТС.059.000.000 (рис.3) с шприцевой насадкой для внесения 1 мл. среды (рис.4), которые так же были изготовлены в НПП «БиоТехСис».

Для обеспечения условий выполнения поставленных задач во втором КЭ было использовано два типа культиваторов: БТС.054.210.000 6 шт. и тип БТС.059.000.000 6 шт. Во втором сеансе КЭ использовались те же биологические объекты, что и в первом сеансе. Общее время культивирования этих клеток составило 14 суток.

Обновление питательной среды в экспериментах достигалось введением 1 мл свежей культуральной среды DMEM/Ham F-12 с добавками на 7-е сутки культивирования (или на 4-е сутки планируемого полета).

Эффективность добавления питательной среды на увеличение жизнеспособности культивируемых клеток оценивалась на тех же культурах, которые использовались в первом КЭ. Для оценки инфицирования МСК шатл-вектором во время КЭ использовали шатл-вектор, наработанный для первого КЭ. Методики проведения наземных исследований использовались такие же, что и в первом сеансе КЭ.

Укладка "МСК" масса - 0,8 кг, объем – 0,002 м3.

Укладка "МСК-2", масса – 1,5 кг, объем - 0,002 м3.

Холодильник-термостат "Криогем-03М" , масса – 10,5 кг, объем – 0,03 м3.

Получение данных о поведении мезенхимальных стромальных стволовых клеток костного мозга (МСК КМ), ответственных за процессы регенерации тканей опорно-двигательного аппарата, в условиях воздействия факторов космического полета.

Полученные результаты могут послужить основой для выработки тактики лечения и компенсации нарушенных функций органов и тканей опорно-двигательного аппарата.

В ходе выполнения двух сеансов КЭ было показано, что использование культиватора БТС.054.210.000 в течение 11 суток без замены питательной среды – снижает жизнеспособность всех клеток: Vero до 80%, а Т4 и МСК до 15-20%; ингибирует пролиферативную активность и способность распластываться (у МСК до 5-10%).

Использование культиватора БТС.059.000.000 для культивирования клеток в течение 14 суток с добавлением питательной среды повышает жизнеспособность и пролиферативную активность клеток (Vero, МСК крысы и МСК человека) по сравнению с культивированием этих клеток в БТС.054.210.000 без замены питательной среды; однако, исследуемые показатели остаются достоверно сниженными по сравнению с культивированием клеток в стандартных культуральных условиях (рис. 5-8).

Рис.5. МСК после завершения наземного эксперимента длительностью 11 суток. (А Ув.х400) – сразу после завершения эксперимента и (Б Ув.х200) на 14 сутки после пересева клеток. МСК зараженные шатл-вектором были сняты с Цитодекса-3 и пересеяны на культуральный пластик. Окраска на бета-галактозидазу.

Рис.6 МСК человека после наземного эксперимента на 14 сутки после заражения шатл-вектором и культивирования клеток в нормальных условиях. Ув.: (А) - х200, (Б) - 400.

Рис.7 Вид гибридомных клеток Т4 после КЭ (11 суток) и пересева их в нормальные культуральные условия. Живые клетки (указаны стрелками) после КЭ составляли менее 5%. Ув.х 400

Рис. 8 Вид МСК на Цитодексе-3 сразу после завершения КЭ (11 суток). На поверхности Цитодекса-3 единичные, нежизнеспособные (нераспластанные) клетки. Ув.400.

КЭ в 2004 г. был приостановлен. С 2008 г. работы в рамках КЭ возобновились.

Основное направление работ на данном этапе связано с оптимизацией конструкции культиватора и условий культивирования.

Для устранения причин гибели клеток была разработана конструкция культуральной ячейки с капиллярами, проходящими через плотную (гелеобразную) структуру, в которой равномерно фиксированы живые клетки. Такая конструкция исключает возможность образования воздушных пузырей, как в капиллярах, так и в пространстве вокруг капилляров, в котором находятся клетки. Капилляры должны обеспечивать условия приближенные к массообменным условиям в тканях млекопитающих за счёт изготовления их из пористого материала, через который происходит диффузный обмен питательных веществ и продуктов жизнедеятельности клеток. Предложенная конструкция культуральной ячейки (культиватора клеток) и способ жизнеобеспечения культивируемых клеток должен обеспечивать жизнеспособность этих клеток. Однако данные о жизнеспособности клеток, культивируемых в подобных устройствах и при заданных условиях пока отсутствуют.

Список публикаций в процессе редактирования.