|
Шифр эксперимента:
|
МСК
|
Направление НПИ:
|
4. Космическая биология и биотехнология
|
Секция КНТС:
|
1. Космическая биология и физиология
|
Наименование эксперимента:
|
Культивирование мезенхимальных стволовых клеток (МСК) из костного мозга (КМ) в условиях космического полета
|
Цель эксперимента:
|
Изучение нивелирования факторов космического полета для сохранения жизнеспособности и функциональной активности культивируемых стволовых и соматических клеток.
|
Описание эксперимента:
|
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.
|
Новизна эксперимента:
|
Известно, что факторы, присущие ПКК (отсутствие гравитации, повышенный, по сравнению с фоном, уровень радиации и электромагнитных излучений, циклическая активность Солнца и др.), могут оказать существенное негативное влияние на состояние и свойства стволовых и иммунных клеток, которые в норме определяют восстановительные (регенерационные) возможности организма. До недавнего времени в условиях космического полета исследовалось влияние факторов ПКК на состояние клеток различных популяций иммунной системы (Cogoli 1997, Sonnenfeld et. al. 1992) и стволовых клеток гемопоэтического ряда (Vacek et. al. 1985). МСК из КМ до сих пор не были предметом пристального исследования, хотя эти клетки участвуют в формировании различных тканей опорно-двигательного аппарата, таких как: кость, хрящ, мышцы, сосудистый эндотелий, жир и подкожная строма (Seshi et. al. 2000), функция которых нарушается в условиях длительного космического полета (Berezovskaia et. al. 1998, Guignandon et. al. 1997, 2001, Doty 1992).
В связи с выше изложенным, целью настоящего исследования явилось исследование способности МСК из КМ и гибридомных клеток - аналога клеточной системы имитирующей секрецию белков (иммуноглобулины) к реализации присущих им функций при различных условиях культивирования во время космического полета и после него на Земле, а также при трансплантации клеточных культур животным при моделировании некоторых патологических состояний.
|
Научная аппаратура:
|
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».

|

|
Рисунок 3 - Схема культиватора БТС.059.000.000, обеспечивающего добавление свежей питательной среды в культуральный объем.
|
Рисунок 4 - Культиватор БТС.059.000.000 в собранном виде.
|
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.
|
Ожидаемые результаты:
|
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.
|
Полученные результаты:
|
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.
|
Сроки проведения:
|
В 2014 г. планируется провести два сеанса КЭ
|
Состояние эксперимента:
|
Реализуется
|
Организация постановщик:
|
«Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени В.И.Шумакова» Минздравсоцразвития РФ (ФНЦТИО) (г. Москва)
|
Организации участники:
|
НПП «БиоТехСис», ОАО «Биопрепарат», ОАО «Биохиммаш», НПАО «Силекс М», РКК «Энергия», ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина.
|
Научный руководитель:
|
Онищенко Н. А., ФНЦТИО имени В.И.Шумакова, д.м.н.
|
|
|
Публикации по эксперименту:
|
Список публикаций в процессе редактирования.
|
Последнее обновление:
|
17.11.2017
|
|
|
|