ABOVE: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
Od lat naukowcy przewidywali, że druk 3D – który był wykorzystywany do produkcji zabawek, domów, narzędzi naukowych, a nawet plastikowego króliczka, który zawierał kod DNA do własnej replikacji – może pewnego dnia zostać wykorzystany do drukowania żywych, ludzkich części ciała, aby złagodzić niedobór organów od dawców. Jak dotąd naukowcy wykorzystywali druk 3D w medycynie i stomatologii do tworzenia implantów dentystycznych, protez i modeli, na których chirurdzy mogą ćwiczyć przed wykonaniem cięcia na pacjencie. Ale wielu badaczy wykracza poza drukowanie z tworzyw sztucznych i metali – drukuje z komórek, które następnie tworzą żywe ludzkie tkanki.
Jeszcze nikt nie wydrukował w pełni funkcjonalnych, nadających się do przeszczepu ludzkich organów, ale naukowcy są coraz bliżej, tworząc kawałki tkanki, które mogą być używane do testowania leków i projektowania metod pokonywania wyzwań związanych z odtwarzaniem złożonej biologii ciała.
Pierwsze kroki
Pierwsza drukarka 3D została opracowana pod koniec lat 80. Mogła ona drukować małe obiekty zaprojektowane przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Projekt zostałby praktycznie pocięty na warstwy o grubości zaledwie trzech tysięcznych milimetra. Następnie drukarka składałaby ten projekt w kompletny produkt.
Istniały dwie główne strategie, których drukarka mogłaby użyć, aby położyć wzór: mogłaby wytłaczać pastę przez bardzo cienką końcówkę, drukując projekt zaczynając od dolnej warstwy i pracując w górę z każdą warstwą wspieraną przez poprzednie warstwy. Alternatywnie, można by zacząć od pojemnika wypełnionego żywicą i użyć ostrego lasera do zestalenia części tej żywicy, aby stworzyć solidny obiekt od góry w dół, który byłby podnoszony i usuwany z otaczającej go żywicy.
Jeśli chodzi o drukowanie komórek i biomateriałów w celu stworzenia replik części ciała i organów, stosuje się te same dwie strategie, ale zdolność do pracy z materiałami biologicznymi w ten sposób wymaga wkładu biologów komórek, inżynierów, biologów rozwojowych, materiałoznawców i innych.
Do tej pory naukowcy drukowali mini organoidy i mikrofluidyczne modele tkanek, znane również jako organy na chipach. Oba przyniosły praktyczny i teoretyczny wgląd w funkcjonowanie ludzkiego ciała. Niektóre z tych modeli są wykorzystywane przez firmy farmaceutyczne do testowania leków przed przejściem do badań na zwierzętach i ostatecznie do prób klinicznych. Jedna z grup, na przykład, wydrukowała komórki sercowe na chipie i podłączyła go do bioreaktora, zanim użyła go do przetestowania toksyczności sercowej dobrze znanego leku na raka, doksorubicyny. Zespół wykazał, że tempo bicia komórek drastycznie spadło po ekspozycji na lek.
Naukowcy muszą jednak jeszcze skonstruować narządy, które naprawdę odtwarzałyby niezliczone cechy strukturalne i funkcje ludzkich tkanek. „Istnieje wiele firm, które próbują robić takie rzeczy jak drukowanie 3-D uszu”, a naukowcy już zgłosili przeszczepienie wydrukowanych 3-D uszu dzieciom, które miały wady wrodzone, przez co ich uszy były słabo rozwinięte, zauważa Robby Bowles, bioinżynier z University of Utah. Przeszczepy uszu są, jak mówi, „rodzajem pierwszego dowodu koncepcji druku 3-D dla medycyny.”
See full caption
Bowles dodaje, że naukowcy są wciąż „daleko” od drukowania bardziej złożonych tkanek i organów, które można przeszczepić do żywych organizmów. Ale dla wielu naukowców jest to właśnie cel. Według danych United Network for Organ Sharing, od lutego 2020 roku ponad 112 000 osób w USA czeka na przeszczep narządu. Około 20 z nich umiera każdego dnia.
Od wielu lat inżynierowie biologiczni próbują budować trójwymiarowe rusztowania, na których można by umieszczać komórki macierzyste, które ostatecznie różnicowałyby się i rosły do kształtów narządów, ale „w dużej mierze techniki te nie pozwalają na wprowadzenie organizacji gradientów i wzorców, które są w tkance”, mówi Bowles. „Nie ma kontroli nad tym, gdzie komórki trafiają w tej tkance”. W przeciwieństwie do tego, druk 3-D umożliwia badaczom bardzo precyzyjne kierowanie umieszczaniem komórek – wyczyn, który mógłby doprowadzić do lepszej kontroli nad rozwojem organów.
Różnicowanie
Idealnie, organy drukowane 3-D byłyby budowane z komórek, które układ odpornościowy pacjenta mógłby rozpoznać jako własne, aby uniknąć odrzucenia immunologicznego i potrzeby przyjmowania przez pacjentów leków immunosupresyjnych. Takie narządy mogłyby być potencjalnie zbudowane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych specyficznych dla danego pacjenta, ale jednym z wyzwań jest doprowadzenie do różnicowania się komórek w podtyp dojrzałych komórek, które są potrzebne do budowy danego narządu. „Trudność polega na połączeniu i wytworzeniu złożonych wzorów komórek i biomateriałów w celu uzyskania różnych funkcji różnych tkanek i narządów” – mówi Bowles.
Aby naśladować wzory widoczne in vivo, naukowcy drukują komórki w hydrożelach lub innych środowiskach z sygnałami molekularnymi i gradientami, które mają skłonić komórki do zorganizowania się w narządy przypominające życie. Naukowcy mogą korzystać z druku 3D, aby zbudować te hydrożele, jak również. W przypadku innych technik, „uzyskane wzory były zazwyczaj dwuwymiarowe”, mówi Eben Alsberg, bioinżynier z Uniwersytetu Illinois, w e-mailu do The Scientist. „Trójwymiarowy bioprinting pozwala na znacznie większą kontrolę nad prezentacją sygnału w 3D”.
Do tej pory naukowcy stworzyli płaty tkanki, które naśladują fragmenty niektórych organów, ale nie udało im się odtworzyć złożoności lub gęstości komórek pełnego organu. Ale możliwe, że u niektórych pacjentów nawet łatka byłaby skuteczną terapią. Pod koniec 2016 r. firma o nazwie Organovo ogłosiła rozpoczęcie programu rozwoju drukowanej w 3D tkanki wątroby do przeszczepów u ludzi po tym, jak badanie wykazało, że przeszczepione płaty komórek wątroby wydrukowanych w 3D z powodzeniem zrastały się w mysim modelu genetycznej choroby wątroby i wzmocniły kilka biomarkerów, które sugerowały poprawę funkcji wątroby.
Waskulatura
Tylko w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy zaczęli robić postępy w zakresie jednego z największych wyzwań w drukowaniu organów 3D: tworzenia naczyń krwionośnych. Po wszczepieniu plastrów do wątroby myszy w badaniu Organovo, krew była dostarczana przez otaczającą tkankę wątroby, ale cały organ musiałby być przygotowany do przepływu krwi.
„Aby jakiekolwiek komórki pozostały żywe, potrzebują dopływu krwi, więc nie może to być po prostu ten ogromny kawałek tkanki,” mówi Courtney Gegg, starszy dyrektor inżynierii tkankowej w Prellis Biologics, która produkuje i sprzedaje rusztowania do wspierania tkanek drukowanych 3-D. „To zostało uznane za jeden z kluczowych problemów.”
Mark Skylar-Scott, bioinżynier w Instytucie Wyss, mówi, że problem ten „powstrzymywał inżynierię tkankową przez dziesięciolecia”. Jednak w 2018 roku Sébastian Uzel, Skylar-Scott i zespół z Instytutu Wyss zdołali wydrukować w technologii 3D maleńką, bijącą komorę serca wraz z naczyniami krwionośnymi. Kilka dni po wydrukowaniu tkanki Uzel powiedział, że przyszedł do laboratorium i znalazł kawałek drgającej tkanki, co było zarówno „bardzo przerażające, jak i ekscytujące.”
Aby jakakolwiek komórka pozostała przy życiu, potrzebuje dopływu krwi, więc nie może to być tylko ten ogromny kawałek tkanki.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Zamiast drukować żyły warstwowo, zespół wykorzystał technikę drukowania osadzonego – technikę, w której zamiast budować od dołu szkiełka ku górze, materiał jest wytłaczany bezpośrednio do wanny lub matrycy. Ta strategia, która pozwala badaczom na drukowanie „swobodnej formy w 3-D”, mówi Skylar-Scott, zamiast drukowania każdej warstwy jedna na drugiej w celu wsparcia struktury, jest bardziej wydajnym sposobem drukowania drzewa naczyniowego. Matrycą w tym przypadku był materiał komórkowy, z którego zbudowana jest komora serca. Żelatynopodobny tusz delikatnie wypychał te komórki z drogi, tworząc sieć kanałów. Po zakończeniu drukowania, połączenie zostało podgrzane. Ciepło to spowodowało zestalenie się matrycy komórkowej, ale żelatyna uległa upłynnieniu, dzięki czemu można ją było wypłukać, pozostawiając miejsce na przepływ krwi.
Ale nie oznacza to, że problem został całkowicie rozwiązany. Komora serca zespołu z Instytutu Wyss miała naczynia krwionośne, ale nie było ich tak dużo jak w pełnowymiarowym sercu. Gegg zauważa, że aby naprawdę naśladować ludzką biologię, „pojedyncza komórka będzie musiała znajdować się w promieniu 200 mikronów od najbliższego źródła krwi. . . . Wszystko musi być bardzo, bardzo blisko.” To znacznie bardziej skomplikowane niż to, co badacze wydrukowali do tej pory.
Z powodu przeszkód z dodawaniem naczyń krwionośnych i wielu innych wyzwań, które wciąż stoją przed tkankami drukowanymi w 3D, organy zbudowane w laboratorium nie będą dostępne do przeszczepów w najbliższym czasie. W międzyczasie, drukowanie 3-D porcji tkanek pomaga przyspieszyć zarówno podstawowe, jak i kliniczne badania nad ludzkim ciałem.
Emma Yasinski jest niezależną reporterką z Florydy. Można ją śledzić na Twitterze @EmmaYas24.