FELIRAT: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
A tudósok évek óta azt jósolják, hogy a háromdimenziós nyomtatást – amelyet játékok, otthonok, tudományos eszközök és még egy műanyag nyuszi készítésére is használtak, amely tartalmazta a saját szaporodásához szükséges DNS-kódot – egy napon élő, emberi testrészek nyomtatására is felhasználhatják, hogy enyhítsék a donorszervek hiányát. Eddig a kutatók az orvostudományban és a fogászatban is használták a 3D-nyomtatást, hogy fogászati implantátumokat, protéziseket és modelleket készítsenek, amelyeken a sebészek gyakorolhatnak, mielőtt vágást ejtenének egy páciensen. Sok kutató azonban már túllépett a műanyagokkal és fémekkel való nyomtatáson – sejtekkel nyomtatnak, amelyek aztán élő emberi szöveteket alkotnak.
Teljesen működőképes, átültethető emberi szerveket még senki sem nyomtatott, de a tudósok egyre közelebb kerülnek, olyan szövetdarabokat készítenek, amelyeket gyógyszerek tesztelésére lehet használni, és olyan módszereket terveznek, amelyekkel leküzdhetők a test összetett biológiájának újrateremtésével járó kihívások.
Első lépések
Az első 3-D nyomtatót az 1980-as évek végén fejlesztették ki. Számítógéppel segített tervezőprogram (CAD) segítségével tervezett kis tárgyakat tudott nyomtatni. Egy tervet gyakorlatilag mindössze háromezred milliméter vastagságú rétegekre lehetett felszeletelni. Ezután a nyomtató ezt a tervet a teljes termékké állította össze.
A nyomtató két fő stratégiát alkalmazhatott a minta lerakására: egy nagyon finom hegyén keresztül extrudálhatott pasztát, az alsó réteggel kezdve nyomtathatta a mintát, és felfelé haladva minden egyes réteget az előző rétegek támasztottak alá. Másik lehetőség, hogy egy gyantával töltött tartályból indul, és egy hegyes lézerrel megszilárdítja a gyanta egyes részeit, hogy felülről lefelé egy szilárd tárgyat hozzon létre, amelyet kiemel és eltávolít a környező gyantából.
Amikor sejtek és bioanyagok nyomtatásáról van szó, hogy testrészek és szervek másolatát készítsék el, ugyanez a két stratégia alkalmazható, de ahhoz, hogy biológiai anyagokkal ilyen módon lehessen dolgozni, a sejtbiológusok, mérnökök, fejlődésbiológusok, anyagtudósok és mások hozzájárulására is szükség volt.
A tudósok eddig mini organoidokat és szövetek mikrofluidikai modelljeit, más néven szerveket nyomtattak chipekre. Mindkettő gyakorlati és elméleti betekintést nyújtott az emberi test működésébe. E modellek némelyikét a gyógyszergyárak használják gyógyszerek tesztelésére, mielőtt állatkísérletekbe és végül klinikai vizsgálatokba kezdenének. Az egyik csoport például szívsejteket nyomtatott egy chipre, és azt egy bioreaktorhoz csatlakoztatta, majd egy jól ismert rákgyógyszer, a doxorubicin szívtoxicitásának tesztelésére használta. A csapat kimutatta, hogy a sejtek verési sebessége drámaian lecsökkent a gyógyszerrel való érintkezés után.
A tudósoknak azonban még nem sikerült olyan szerveket létrehozniuk, amelyek valóban reprodukálják az emberi szövetek számtalan szerkezeti jellemzőjét és funkcióját. “Számos cég próbálkozik olyan dolgokkal, mint a 3-D nyomtatott fül”, és a kutatók már beszámoltak arról, hogy 3-D nyomtatott füleket ültettek át olyan gyerekekre, akiknek születési rendellenesség miatt fejletlen volt a fülük – jegyzi meg Robby Bowles, a Utahi Egyetem biomérnöke. A fülátültetések szerinte “a 3D-nyomtatás koncepciójának első bizonyítékát jelentik az orvostudományban.”
See full caption
Bowles hozzáteszi, hogy a kutatók még “messze vannak” attól, hogy olyan összetettebb szöveteket és szerveket nyomtassanak, amelyeket élő szervezetbe lehet átültetni. De sok tudós számára éppen ez a cél. A United Network for Organ Sharing szerint 2020 februárjában több mint 112 000 ember vár szervátültetésre az Egyesült Államokban. Közülük naponta körülbelül 20-an halnak meg.
A biológiai mérnökök már évek óta próbálnak háromdimenziós állványzatokat építeni, amelyekbe őssejteket ültethetnek, amelyek végül differenciálódnak és a szervek formájára nőnek, de “ezek a technikák nagymértékben nem teszik lehetővé a szövetekben lévő gradiensek és mintázatok szerveződésének bevezetését” – mondja Bowles. “Nincs kontroll arra vonatkozóan, hogy a sejtek merre haladnak a szövetben”. Ezzel szemben a 3D nyomtatás lehetővé teszi a kutatók számára, hogy nagyon pontosan irányítsák a sejtek elhelyezését, ami a szervfejlődés jobb ellenőrzéséhez vezethet.
Differenciálódás
A 3D nyomtatott szervek ideális esetben olyan sejtekből épülnének fel, amelyeket a beteg immunrendszere sajátjaként ismerhet fel, hogy elkerüljék az immunrendszer kilökődését és azt, hogy a betegeknek immunszuppresszív gyógyszereket kelljen szedniük. Az ilyen szerveket potenciálisan páciens-specifikus indukált pluripotens őssejtekből lehetne felépíteni, de az egyik kihívás az, hogy a sejtek differenciálódjanak az adott szerv felépítéséhez szükséges érett sejtek altípusává. “A nehézséget az jelenti, hogy a sejtek és a bioanyagok összetett mintázata együttesen jöjjön létre a különböző szövetek és szervek különböző funkcióinak előállításához” – mondja Bowles.
Az in vivo látható minták utánzásához a tudósok hidrogélbe vagy más környezetbe nyomtatják a sejteket, molekuláris jelekkel és gradiensekkel, amelyek célja, hogy a sejtek élethű szerveződésre bírják a sejteket. A tudósok 3-D nyomtatással is megépíthetik ezeket a hidrogéleket. Más technikákkal “az elért minták jellemzően kétdimenziósak voltak” – mondta Eben Alsberg, az Illinois-i Egyetem biomérnöke a The Scientistnek küldött e-mailben. “A háromdimenziós bioprintelés sokkal nagyobb kontrollt tesz lehetővé a jelek 3D-s megjelenítésében”.
A kutatók eddig olyan szövetfoltokat hoztak létre, amelyek bizonyos szervek részeit utánozzák, de nem sikerült egy teljes szerv komplexitását vagy sejtsűrűségét reprodukálniuk. De lehetséges, hogy egyes betegeknél akár egy tapasz is hatékony kezelést jelenthetne. 2016 végén az Organovo nevű vállalat bejelentette, hogy programot indít a háromdimenziós nyomtatott májszövet kifejlesztésére emberi transzplantációkhoz, miután egy tanulmány kimutatta, hogy a háromdimenziós nyomtatott májsejtekből készült transzplantált foltok sikeresen beültethetők egy genetikai májbetegség egérmodelljében, és számos biomarker javulását jelezték a májfunkció javulásában.
Vaszkulatura
A kutatók csak az elmúlt néhány évben kezdtek előrelépést elérni a háromdimenziós szervek nyomtatásának egyik legnagyobb kihívásával: az érrendszer létrehozásával. Miután az Organovo tanulmányában a tapaszokat beültették az egér májába, a vért a környező májszövet szállította hozzá, de egy egész szervet kellene előkészíteni a véráramláshoz.
“Ahhoz, hogy bármely sejt életben maradjon, szüksége van a vérellátásra, tehát nem lehet csak ez a hatalmas szövetdarab” – mondja Courtney Gegg, a Prellis Biologics szövetmérnöki részlegének vezető igazgatója, aki a 3-D nyomtatott szöveteket támogató állványzatokat gyárt és értékesít. “Ez az egyik legfontosabb probléma.”
Mark Skylar-Scott, a Wyss Intézet biomérnöke szerint ez a probléma “évtizedek óta hátráltatja a szövettechnológiát”. De 2018-ban Sébastian Uzelnek, Skylar-Scottnak és a Wyss Intézet egy csapatának sikerült egy apró, dobogó szívkamrát 3-D nyomtatnia, vérerekkel kiegészítve. Néhány nappal a szövet kinyomtatása után Uzel azt mondja, hogy amikor bejött a laborba, egy rángatózó szövetdarabot talált, ami egyszerre volt “nagyon ijesztő és izgalmas.”
Azért, hogy bármilyen sejt életben maradjon, szüksége van erre a vérellátásra, tehát nem lehet csak ez a hatalmas szövetdarab.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Ahelyett, hogy az ereket rétegesen nyomtatták volna ki, a csapat beágyazott nyomtatást alkalmazott – egy olyan technikát, amelyben ahelyett, hogy egy dia aljától felfelé építkeznének, az anyagot közvetlenül egy fürdőbe, vagy mátrixba préselik. Ez a stratégia, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy “szabad formában, 3D-ben” nyomtassanak – mondja Skylar-Scott -, ahelyett, hogy az egyes rétegeket egymásra nyomtatnák a szerkezet alátámasztására, hatékonyabb módja az érfa nyomtatásának. A mátrix ebben az esetben a szívkamrát alkotó sejtes anyag volt. Egy zselatinszerű tinta finoman eltolta ezeket a sejteket az útból, hogy csatornahálózatot hozzon létre. A nyomtatás befejezése után a kombinációt felmelegítették. Ez a hő hatására a sejtmátrix megszilárdult, a zselatin viszont elfolyósodott, így aztán ki lehetett öblíteni, helyet hagyva a vérnek.
De ez nem jelenti azt, hogy a probléma teljesen megoldódott. A Wyss Intézet csapatának kamrájában voltak vérerek, de közel sem annyi, mint egy teljes méretű szívben. Gegg rámutat, hogy az emberi biológia valódi utánzásához “az egyes sejteknek 200 mikronon belül kell lenniük a legközelebbi vérellátáshoz. . . . Mindennek nagyon-nagyon közel kell lennie”. Ez sokkal bonyolultabb, mint amit a kutatók eddig kinyomtattak.
Az érrendszer hozzáadásával kapcsolatos akadályok és számos más kihívás miatt, amelyekkel a háromdimenziós nyomtatott szövetek még mindig szembesülnek, a laboratóriumban készült szervek egyhamar nem lesznek átültethetők. Addig is a szövetek 3-D nyomtatásával felgyorsulhat az emberi testtel kapcsolatos alap- és klinikai kutatás.
Emma Yasinski floridai szabadúszó riporter. Kövesse őt a Twitteren @EmmaYas24.