ABOVE: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
Vědci již léta předpovídají, že trojrozměrný tisk – který se používá k výrobě hraček, domů, vědeckých nástrojů a dokonce i plastového králíčka, který obsahuje kód DNA pro vlastní replikaci – by mohl být jednoho dne využit k tisku živých částí lidského těla, aby se zmírnil nedostatek dárcovských orgánů. Dosud vědci používali 3D tisk také v medicíně a stomatologii k vytváření zubních implantátů, protéz a modelů pro chirurgy, na kterých se mohou cvičit, než provedou řez na pacientovi. Mnozí výzkumníci se však posunuli dál než k tisku s plasty a kovy – tisknou s buňkami, které pak vytvářejí živé lidské tkáně.
Ještě nikdo nevytiskl plně funkční, transplantovatelné lidské orgány, ale vědci se k tomu blíží, vytvářejí kusy tkáně, které lze použít k testování léků, a navrhují metody, jak překonat problémy spojené s rekonstrukcí složité biologie těla.
První kroky
První 3-D tiskárna byla vyvinuta na konci 80. let 20. století. Dokázala tisknout malé objekty navržené pomocí softwaru pro počítačem podporované navrhování (CAD). Návrh by se prakticky rozřezal na vrstvy silné pouhé tři tisíciny milimetru. Poté by tiskárna tento návrh rozdělila na kompletní výrobek.
Tiskárna mohla použít dvě hlavní strategie pokládání vzoru: mohla vytlačovat pastu přes velmi jemný hrot, tisknout návrh od spodní vrstvy a postupovat směrem nahoru, přičemž každá vrstva byla podepřena předchozími vrstvami. Případně by mohla začít s nádobou naplněnou pryskyřicí a pomocí špičatého laseru ztuhnout části této pryskyřice a vytvořit pevný objekt shora dolů, který by se zvedl a odstranil z okolní pryskyřice.
Pokud jde o tisk buněk a biomateriálů za účelem vytvoření replik částí těla a orgánů, platí tytéž dvě strategie, ale schopnost pracovat s biologickými materiály tímto způsobem si vyžádala přispění buněčných biologů, inženýrů, vývojových biologů, materiálových vědců a dalších.
Dosud vědci tiskli mini organoidy a mikrofluidní modely tkání, známé také jako orgány na čipech. Obojí přineslo praktické i teoretické poznatky o fungování lidského těla. Některé z těchto modelů používají farmaceutické společnosti k testování léků předtím, než přejdou ke studiím na zvířatech a nakonec ke klinickým zkouškám. Jedna skupina například vytiskla srdeční buňky na čip a připojila je k bioreaktoru, než je použila k testování srdeční toxicity známého léku proti rakovině, doxorubicinu. Tým prokázal, že rychlost tlukotu buněk se po vystavení léku dramaticky snížila.
Vědcům se však zatím nepodařilo zkonstruovat orgány, které by skutečně kopírovaly nesčetné strukturální charakteristiky a funkce lidských tkání. „Existuje řada společností, které se pokoušejí o takové věci, jako je 3D tisk uší,“ a vědci již informovali o transplantaci 3D tištěných uší dětem, které měly vrozené vady, kvůli nimž byly jejich uši nedostatečně vyvinuté, poznamenává Robby Bowles, bioinženýr z Utažské univerzity. Transplantace uší jsou podle něj „jakýmsi prvním důkazem konceptu 3D tisku pro medicínu.“
Plný titulek
Bowles dodává, že k vytištění složitějších tkání a orgánů, které by bylo možné transplantovat do živých organismů, mají vědci ještě „daleko“. Pro mnoho vědců je však právě toto cílem. Podle údajů organizace United Network for Organ Sharing čeká v únoru 2020 v USA na transplantaci orgánu více než 112 000 lidí. Každý den jich asi 20 zemře.
Biologičtí inženýři se již mnoho let snaží vytvořit trojrozměrné lešení, které by mohli osadit kmenovými buňkami, jež by se nakonec diferencovaly a vyrostly do tvaru orgánů, ale „do značné míry tyto techniky neumožňují zavést jakousi organizaci gradientů a vzorování, které je ve tkáni,“ říká Bowles. „Není zde žádná kontrola nad tím, kam se buňky v této tkáni dostanou.“ Naproti tomu trojrozměrný tisk umožňuje výzkumníkům velmi přesně řídit rozmístění buněk – což by mohlo vést k lepší kontrole nad vývojem orgánů.
Diferenciace
V ideálním případě by trojrozměrné tištěné orgány byly vytvořeny z buněk, které by imunitní systém pacienta mohl rozpoznat jako své vlastní, aby se zabránilo odmítnutí imunitního systému a nutnosti pacientů užívat imunosupresivní léky. Takové orgány by mohly být potenciálně vytvořeny z indukovaných pluripotentních kmenových buněk specifických pro pacienta, ale jedním z problémů je přimět buňky, aby se diferencovaly na podtyp zralých buněk, které jsou potřebné pro vytvoření konkrétního orgánu. „Potíž je v tom, jak se spojit a vytvořit komplexní vzorce buněk a biomateriálů dohromady, aby vznikly různé funkce různých tkání a orgánů,“ říká Bowles.
Aby vědci napodobili vzorce pozorované in vivo, tisknou buňky do hydrogelů nebo jiných prostředí s molekulárními signály a gradienty, které mají přimět buňky, aby se uspořádaly do orgánů podobných životu. K vytvoření těchto hydrogelů mohou vědci použít i trojrozměrný tisk. Při použití jiných technik „byly dosažené vzory obvykle dvojrozměrné“, uvedl v e-mailu pro časopis The Scientist Eben Alsberg, bioinženýr z Illinoiské univerzity. „Trojrozměrný bioprint umožňuje mnohem větší kontrolu nad zobrazením signálu ve 3D.“
Vědci zatím vytvořili záplaty tkáně, které napodobují části určitých orgánů, ale nepodařilo se jim napodobit složitost nebo hustotu buněk celého orgánu. Je však možné, že u některých pacientů by i náplast byla účinnou léčbou. Na konci roku 2016 oznámila společnost Organovo zahájení programu vývoje trojrozměrně tištěné jaterní tkáně pro transplantace lidem poté, co studie ukázala, že transplantované záplaty trojrozměrně tištěných jaterních buněk se úspěšně vštípily do myšího modelu genetického onemocnění jater a zvýšily několik biomarkerů, které naznačovaly zlepšení funkce jater.
Cévy
Jen v posledních několika letech začali vědci dělat pokroky s jedním z největších problémů při tisku trojrozměrných orgánů: vytvářením cév. Po vštípení záplat do myších jater ve studii Organovo do nich krev přiváděla okolní jaterní tkáň, ale pro průtok krve by musel přijít připravený celý orgán.
„Aby jakékoli buňky zůstaly naživu, potřebují toto prokrvení, takže to nemůže být jen obrovský kus tkáně,“ říká Courtney Geggová, vrchní ředitelka tkáňového inženýrství ve společnosti Prellis Biologics, která vyrábí a prodává scaffoldy pro podporu 3-D tištěných tkání. „To bylo uznáno jako jeden z klíčových problémů.“
Mark Skylar-Scott, bioinženýr z Wyssova institutu, říká, že tento problém „brzdí tkáňové inženýrství už celá desetiletí“. V roce 2018 se však Sébastianu Uzelovi, Skylar-Scottovi a týmu z Wyssova institutu podařilo vytisknout 3D tiskárnou malou bijící srdeční komoru doplněnou o cévy. Několik dní po vytištění tkáně Uzel říká, že přišel do laboratoře a našel kus škubající se tkáně, což bylo „velmi děsivé a vzrušující zároveň“.
K tomu, aby jakékoli buňky zůstaly naživu, potřebují onen přívod krve, takže to nemůže být jen obrovský kus tkáně.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Místo tisku žil ve vrstvách tým použil vestavěný tisk – techniku, při níž se místo budování od dna preparátu směrem nahoru materiál vytlačuje přímo do lázně neboli matrice. Tato strategie, která výzkumníkům umožňuje tisknout „volnou formu ve 3D“, říká Skylar-Scottová, místo toho, aby museli tisknout jednotlivé vrstvy na sebe, aby podpořili strukturu, je efektivnějším způsobem tisku cévního stromu. Matricí byl v tomto případě buněčný materiál, který tvořil srdeční komoru. Inkoust podobný želatině tyto buňky jemně vytlačil a vytvořil tak síť kanálků. Po dokončení tisku se kombinace zahřála. Toto teplo způsobilo, že buněčná matrice ztuhla, ale želatina zkapalněla, takže ji pak bylo možné vypláchnout a ponechat prostor pro průtok krve.
To však neznamená, že je problém zcela vyřešen. Komora týmu Wyssova institutu měla krevní cévy, ale zdaleka ne tolik jako srdce plné velikosti. Gegg upozorňuje, že aby se skutečně napodobila lidská biologie, „bude muset být jednotlivá buňka v dosahu 200 mikronů od nejbližšího přívodu krve. . . . Vše musí být velmi, velmi blízko.“ To je mnohem složitější než to, co vědci dosud vytiskli.
Vzhledem k překážkám s přidáváním cévního řečiště a mnoha dalším problémům, kterým 3D tištěné tkáně stále čelí, nebudou laboratorně vytvořené orgány v dohledné době k dispozici pro transplantace. Do té doby pomáhá trojrozměrný tisk částí tkání urychlit základní i klinický výzkum lidského těla.
Emma Yasinski je floridská reportérka na volné noze. Sledujte ji na Twitteru @EmmaYas24.