Biodruk 3D

Związek pomiędzy medycyną a technologią się zacieśnia. Równoczesny rozwój obu tych gałęzi nauki pobudza do współpracy pomiędzy lekarzami, a inżynierami. Efektem tego są implementacje ciekawych technologii znanych w innych dziedzinach przemysłu do medycyny. Nieuchronnie zbliżamy się do momentu wyjścia ze strefy eksperymentalnej i zastosowania ich w praktyce klinicznej.

Podziel się ze znajomymi!

Ciekawą koncepcją jest wdrożenie druku trójwymiarowego do zastosowań medycznych. Pionierem w tej dziedzinie jest firma Organovo. Pierwsza drukarka 3D zdolna do wytworzenia tkanki kompatybilnej z ludzką została dostarczona przez pracowników firmy biomedycznej Invetech. Na wczesnym etapie rozwoju tej technologii drukarka była przygotowana do druku głównie naczyń krwionośnych i chrząstki. W stosunku do drukarek przemysłowych, biodrukarka pracowała z dokładnością do mikrometra. Dla porównania średnica ludzkiej krwinki czerwonej to 6-9 mikrometrów. Parametry drukarki pozwalają zatem na tworzenie naczyń krwionośnych tak, aby elementy morfotyczne krwi nie wydostawały się ze światła sztucznego naczynia.

Najpierw ucho

W 2016 roku usłyszeliśmy o pierwszym sukcesie. W amerykańskim Baptystycznym Centrum Medycznym Wake Forest naukowcy wydrukowali ucho, mięsień i kość. Dokonali tego za pomocą urządzenia ITOP, czyli Zintegrowanego Systemu Drukującego Organy i Tkanki. Technika ta opierała się o użycie biodegradowalnego polimeru jako stelażu dla drukowanej tkanki. Następnie wypełnia się ów stelaż płynem zawierającym żywe komórki. Z zewnątrz powleka się go osłoną, która powininna rozłożyć się po wszczepieniu do organizmu biorcy.

Biotechnolodzy eksperymentalnie wydrukowali kilkucentymetrowe próbki implantów. Okazało się, że wbrew oczekiwaniom badaczy, tkanki tej wielkości nie wymagają druku naczyń. Jak tłumaczy dr Anthony Atala, odpowiedni skład tuszu oraz kanaliki w macierzy zapewniają komórkom środowisko, w którym mogą rosnąć.

Wydrukowane tkanki wszczepiono zwierzętom. Według publikacji na łamach Nature Biotechnology, wszczepy wykazały dobrą integrację z organizmem biorcy. Chrząstka i kość podjęły zaopatrzenie naczyniowe, a tkanka mięśniowa dodatkowo nerwowe. Długoterminowe obserwacje pozwolą wysnuć wnioski na temat stabilności takich implantów. Jednym z głównych aspektów do wyjaśnienia pozostaje także zdolność sztucznej tkanki mięśniowej do integracji z układem nerwowym. Innymi słowy, na ile możliwe będzie zarządzanie skurczem mięśnia poprzez nerwy obwodowe pacjenta.

Biodrukowalne serce

Niebywała precyzja tworzenia ludzkiej tkanki pozwala rozszerzać zastosowanie druku 3D do bardziej złożonych narządów. Profesor Tal Dvir z Uniwersytetu w Tel-Awiwie w 2019 roku wraz ze swoim zespołem stworzyli pierwsze działające serce. Co prawda, same sztuczne serce nie jest niczym nowym. Do tej pory jednak rozwijano technikę druku mechanicznej pompy z sylikonu, czego liderem jest ośrodek ETH Zurich. To czym technika naukowców z Tel-Awiwu różni się od niej jest zastosowanie komórek macierzystych do wydruku tkanki. W ten sposób profesor Dvir chce uzyskać pełną kompatybilność pod względem właściwości biochemicznych, zgodności tkankowej i anatomicznej narządu z biorcą.

Istotą tej technologii jest pobranie tkanki tłuszczowej od pacjenta. Z tej tkanki następnie oddziela się komórki i przekształca je tak, aby odzyskały zdolność do podziału i rozwoju w inne komórki ludzkiej tkanki. W ten sposób uzyskuje się pluripotencjalne komórki macierzyste. Z materiału pozakomórkowego wytwarza się natomiast hydrożel. Jego właściwością jest pełna biokompatybilność z pacjentem. Za pomocą inżynierii genetycznej stymuluje się uzyskane komórki macierzyste do rozwoju w kierunku kardiomiocytów, komórek śródbłonka naczyń i pozostałych typów komórek występujących naturalnie w ludzkim sercu. Następnie łączy się powstałe linie komórkowe ze zmodyfikowaną macierzą (hydrożelem) i tak powstaje biologiczny tusz, który może zostać użyty do wydruku serca.

Sztuczne płuca

Równocześnie naukowcy z Uniwersytetu Rice’a w Houston opracowali technikę drukowania elementów układu oddechowego. Ich organ oddechowy jest obecnie wielkości monety, ale funkcjonalnie w pełni sprawny. Biotusz również jest kompatybilny z pacjentem. Sam proces pozyskiwania komórek macierzystych jest podobny do tego z Tel-Awiwu.

Bioinżynierowie Jordan Miller i Kelly Stevens tworzą także otwartoźródłową technologię biodruku o nazwie SLATE. Ma to na celu pobudzić naukowców z całego świata do współtworzenia technologii biodruku. Istotą stereolitografii jest drukowanie kolejnych warstw z roztworu hydrożelowego. Jego szczególną właściwością jest wrażliwość na niebieskie światło, o konkretnej długości fali. Wówczas hydrożel ulega utwardzeniu. Dzieje się to z dokładnością druku pojedynczego piksela wahającą się od 10 do 50 mikrometrów. Daje to czas naczyniom do rozwoju siatki unaczynienia, po czym utrwalenia jej za pomocą światła niebieskiego. W rozwoju tej techniki zastosowanie znalazł także żółty barwnik spożywczy. Pozwala to zwiększyć rozdzielczość druku dzięki większej absorpcji światła niebieskiego.

Kolejnym krokiem zespołu z Houston jest wydrukowanie tkanki pełniącej rolę wątroby. Jak zaznaczają naukowcy jest to szczególnie trudne, gdyż hepatocyty spełniają około 500 różnych funkcji. Bardziej złożony jest tylko mózg. Mimo to do tej pory udało im się z powodzeniem wszczepić biodrukowalną tkankę wątroby myszom.

Według opinii naukowców z całego świata zbliżamy się do chwili, gdy będzie możliwe komercyjne zastosowanie opracowywanych technologii. Biodruk jest innowacją mającą potencjał do zrewolucjonizowania nauk medycznych, szczególnie w dziedzinach takich jak: transplantologia, testowanie nowych leków, czy medycyna regeneracyjna.

Transplantacja nie dla każdego

Najbardziej zyskującą grupą pacjentów są oczekujący na transplantację narządów. Według danych Poltransplantu oczekujących na przeszczepienie na koniec 2019 roku było niemal 2000 pacjentów, a są to tylko pacjenci którzy spełniają rygorystyczne normy kwalifikacji. O ile istnieje możliwość przeszczepienia nerki lub wątroby od dawcy żywego, zgodnego z biorcą, o tyle donacja serca wymaga dawcy zmarłego. Widać to w statystykach. Oczekujących na przeszczepienie serca na koniec 2019 roku było 462 pacjentów. Od początku ubiegłego roku ta liczba wzrosła o 14, mimo że przez cały ubiegły rok wykonano 145 transplantacji serca. Wszystkich dawców rzeczywistych było w tym czasie 502. Wśród przyczyn tak niskiej donacji serca są restrykcyjne normy kwalifikacji tego narządu. Istotnym problemem jest dyskwalifikacja gorzej rokujących pacjentów z powodu ryzyka utraty przeszczepu. Jest to konieczne, ponieważ ilość dawców w stosunku do potrzebujących biorców jest bardzo ograniczona, a to wymaga maksymalizacji wykorzystania dostępnych zasobów.

Oznacza to, że liczba oczekujących na przeszczepienie serca rośnie niewspółmiernie do możliwości dokonywania tych zabiegów. Według ogólnoświatowej tendencji, w państwach rozwiniętych rośnie zapadalność na choroby krążenia. Co za tym idzie, możemy spodziewać się raczej przyspieszenia wzrostu ilości pacjentów chirurgii transplantacyjnej, szczególnie w dziedzinie sercowo-naczyniowej, niż odwrócenia tej tendencji.

Lekarze z coraz większą nadzieją patrzą na wyniki eksperymentów nad biodrukiem. Wdrożenie zastosowania sztucznych narządów byłoby krokiem milowym w medycynie. Dla pacjentów oznaczałoby to odblokowanie kolejki transplantacyjnej. Jeżeli technologia ta okaże się optymalna, to możliwe będzie też zmodyfikowanie kryteriów kwalifikacji pacjentów w taki sposób, by więcej chorych mogło otrzymać skuteczne leczenie.

W przypadku sztucznych narządów obawa o utratę przeszczepu jest niższa, zwłaszcza w przeszczepach powstałych z komórek macierzystych pobranych od pacjenta. Dzięki temu pacjenci niekwalifikujący się pierwotnie do programu transplantacji od dawcy zmarłego będą mogli otrzymać narząd wydrukowany z użyciem biodrukarki. Szacuje się, że technologia ta ma szansę wejść do powszechnego użycia w ciągu 20 lat.

Posłuchaj w formie podcastu:

Źródła:
https://www.sciencedirect.com/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
https://organovo.com/
https://www.rice.edu/
https://www.poltransplant.org.pl/
[Okładka: Professor Tal Dvir presents a 3D print of a heart with human tissue at Tel Aviv University on April 15, 2019. (Jack Guez/AFP)]
Podziel się ze znajomymi!

1 thought on “Biodruk 3D

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *