ABOVE: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
De ani de zile, oamenii de știință au prezis că imprimarea 3-D – care a fost folosită pentru a fabrica jucării, case, instrumente științifice și chiar un iepuraș din plastic care conținea un cod ADN pentru propria replicare – ar putea fi folosită într-o zi pentru a imprima părți vii ale corpului uman pentru a atenua lipsa de organe de la donatori. Până în prezent, cercetătorii au folosit, de asemenea, imprimarea 3-D în medicină și stomatologie pentru a crea implanturi dentare, proteze și modele pe care chirurgii să exerseze înainte de a face tăieturi pe un pacient. Dar mulți cercetători au trecut dincolo de imprimarea cu materiale plastice și metale-imprimarea cu celule care apoi formează țesuturi umane vii.
Nimeni nu a imprimat încă organe umane complet funcționale și transplantabile, dar oamenii de știință se apropie, realizând bucăți de țesut care pot fi folosite pentru a testa medicamente și concepând metode pentru a depăși provocările legate de recrearea biologiei complexe a organismului.
Primii pași
Prima imprimantă 3-D a fost dezvoltată la sfârșitul anilor 1980. Aceasta putea imprima obiecte mici proiectate cu ajutorul unui software de proiectare asistată de calculator (CAD). Un design ar fi fost practic tranșat în straturi cu o grosime de numai trei miimi de milimetru. Apoi, imprimanta ar asambla acel design în produsul complet.
Existau două strategii principale pe care o imprimantă le-ar putea folosi pentru a așeza modelul: ar putea extruda o pastă printr-un vârf foarte fin, imprimând designul începând cu stratul de jos și lucrând în sus, fiecare strat fiind susținut de straturile anterioare. Alternativ, ar putea începe cu un recipient umplut cu rășină și ar putea folosi un laser ascuțit pentru a solidifica porțiuni din acea rășină pentru a crea un obiect solid de sus în jos, care ar fi ridicat și îndepărtat din rășina înconjurătoare.
Când vine vorba de imprimarea celulelor și a biomaterialelor pentru a realiza replici ale părților corpului și ale organelor, se aplică aceleași două strategii, dar capacitatea de a lucra cu materiale biologice în acest mod a necesitat contribuții din partea biologilor celulari, a inginerilor, a biologilor de dezvoltare, a oamenilor de știință din domeniul materialelor și a altora.
Până în prezent, oamenii de știință au imprimat miniorganisme și modele microfluidice de țesuturi, cunoscute și sub numele de organe pe cipuri. Ambele au adus informații practice și teoretice despre funcționarea corpului uman. Unele dintre aceste modele sunt folosite de companiile farmaceutice pentru a testa medicamente înainte de a trece la studii pe animale și, în cele din urmă, la studii clinice. Un grup, de exemplu, a imprimat celule cardiace pe un cip și l-a conectat la un bioreactor înainte de a-l folosi pentru a testa toxicitatea cardiacă a unui medicament bine cunoscut pentru cancer, doxorubicina. Echipa a arătat că ritmul de bătaie al celulelor a scăzut dramatic după expunerea la medicament.
Cu toate acestea, oamenii de știință nu au reușit încă să construiască organe care să reproducă cu adevărat multitudinea de caracteristici structurale și funcții ale țesuturilor umane. „Există o serie de companii care încearcă să facă lucruri precum imprimarea în 3D a urechilor”, iar cercetătorii au raportat deja că au transplantat urechi imprimate în 3D pe copii care aveau defecte congenitale care le-au lăsat urechile subdezvoltate, notează Robby Bowles, bioinginer la Universitatea din Utah. Transplanturile de urechi sunt, spune el, „un fel de primă dovadă a conceptului de imprimare 3D pentru medicină.”
Vezi legenda completă
Bowles adaugă că cercetătorii sunt încă „la distanță” de tipărirea unor țesuturi și organe mai complexe care pot fi transplantate în organisme vii. Dar, pentru mulți oameni de știință, tocmai acesta este obiectivul. În februarie 2020, peste 112.000 de persoane din SUA așteptau un transplant de organe, potrivit United Network for Organ Sharing. Aproximativ 20 dintre ei mor în fiecare zi.
De mulți ani, inginerii biologi au încercat să construiască schele tridimensionale pe care le-ar putea însămânța cu celule stem care, în cele din urmă, s-ar diferenția și ar crește în formele organelor, dar „într-o mare măsură, aceste tehnici nu vă permit să introduceți un fel de organizare a gradienților și a modelelor care se află în țesut”, spune Bowles. „Nu există niciun control asupra destinației celulelor în acel țesut”. În schimb, imprimarea 3-D le permite cercetătorilor cu să dirijeze foarte precis plasarea celulelor – o performanță care ar putea duce la un control mai bun asupra dezvoltării organelor.
Diferențiere
În mod ideal, organele imprimate 3-D ar fi construite din celule pe care sistemul imunitar al pacientului le-ar putea recunoaște ca fiind ale sale, pentru a evita respingerea imunitară și necesitatea ca pacienții să ia medicamente imunosupresoare. Astfel de organe ar putea fi potențial construite din celule stem pluripotente induse specifice pacientului, dar o provocare este de a face ca celulele să se diferențieze în subtipul de celule mature necesare pentru a construi un anumit organ. „Dificultatea este aceea de a veni împreună și de a produce modele complexe de celule și biomateriale împreună pentru a produce diferite funcții ale diferitelor țesuturi și organe”, spune Bowles.
Pentru a imita modelele observate in vivo, oamenii de știință imprimă celule în hidrogeluri sau în alte medii cu semnale moleculare și gradienți concepuți pentru a convinge celulele să se organizeze în organe asemănătoare vieții. Oamenii de știință pot folosi imprimarea 3-D și pentru a construi aceste hidrogeluri. Cu alte tehnici, „modelele obținute au fost de obicei bidimensionale”, spune Eben Alsberg, bioinginer la Universitatea din Illinois, într-un e-mail pentru The Scientist. „Bioimprimarea tridimensională permite un control mult mai mare asupra prezentării semnalului în 3D”.
Până acum, cercetătorii au creat petice de țesut care imită porțiuni din anumite organe, dar nu au reușit să reproducă complexitatea sau densitatea celulară a unui organ complet. Dar este posibil ca, la unii pacienți, chiar și un plasture să fie un tratament eficient. La sfârșitul anului 2016, o companie numită Organovo a anunțat demararea unui program de dezvoltare a țesutului hepatic tipărit în 3-D pentru transplanturi umane, după ce un studiu a arătat că peticele de celule hepatice tipărite în 3-D au fost transplantate cu succes într-un model de șoarece cu o boală genetică a ficatului și au stimulat mai mulți biomarkeri care sugerau o îmbunătățire a funcției hepatice.
Vasculatura
Doar în ultimii câțiva ani, cercetătorii au început să facă progrese în ceea ce privește una dintre cele mai mari provocări în imprimarea organelor în 3-D: crearea vasculaturii. După ce plasturii au fost grefați în ficatul șoarecilor în studiul Organovo, sângele a fost livrat către acesta de către țesutul hepatic din jur, dar un întreg organ ar trebui să vină pregătit pentru fluxul sanguin.
„Pentru ca orice celulă să rămână în viață, are nevoie de acea alimentare cu sânge, așa că nu poate fi doar această bucată imensă de țesut”, spune Courtney Gegg, director senior de inginerie tisulară la Prellis Biologics, care produce și vinde schele pentru a susține țesutul imprimat 3D. „Aceasta a fost recunoscută ca fiind una dintre problemele cheie.”
Mark Skylar-Scott, bioinginer la Institutul Wyss, spune că această problemă „a împiedicat ingineria tisulară timp de decenii”. Dar, în 2018, Sébastian Uzel, Skylar-Scott și o echipă de la Institutul Wyss au reușit să tipărească în 3-D un mic ventricul cardiac care bate, complet cu vase de sânge. La câteva zile după ce a imprimat țesutul, Uzel spune că a venit în laborator pentru a găsi o bucată de țesut care se mișca, ceea ce a fost în același timp „foarte terifiant și incitant.”
Pentru ca orice celulă să rămână în viață, are nevoie de acea alimentare cu sânge, așa că nu poate fi doar această bucată imensă de țesut.
-Courtney Gegg, Prellis BiologicsÎn loc să tipărească venele în straturi, echipa a folosit imprimarea încorporată – o tehnică în care, în loc să construiască de la baza unei lamele în sus, materialul este extrudat direct într-o baie, sau matrice. Această strategie, care le permite cercetătorilor să imprime „în formă liberă în 3D”, spune Skylar-Scott, în loc să fie nevoiți să imprime fiecare strat unul peste altul pentru a susține structura, este o modalitate mai eficientă de a imprima un arbore vascular. În acest caz, matricea a fost materialul celular care a alcătuit ventriculul inimii. O cerneală asemănătoare gelatinei a împins ușor aceste celule la distanță pentru a crea o rețea de canale. Odată ce imprimarea a fost finalizată, combinația a fost încălzită. Această căldură a făcut ca matricea celulară să se solidifice, dar gelatina să se lichefieze, astfel încât a putut fi apoi clătită, lăsând spațiu pentru ca sângele să curgă.
Dar asta nu înseamnă că problema este complet rezolvată. Ventriculul realizat de echipa Institutului Wyss avea vase de sânge, dar nu la fel de multe ca o inimă de dimensiuni normale. Gegg subliniază că, pentru a imita cu adevărat biologia umană, „o celulă individuală va trebui să se afle la mai puțin de 200 de microni de cea mai apropiată sursă de sânge. . . . Totul trebuie să fie foarte, foarte aproape”. Acest lucru este mult mai complicat decât ceea ce cercetătorii au imprimat până acum.
Din cauza obstacolelor legate de adăugarea vasculaturii și a multor alte provocări cu care încă se confruntă țesuturile imprimate în 3-D, organele construite în laborator nu vor fi disponibile pentru transplant prea curând. Între timp, imprimarea în 3-D a unor porțiuni de țesut ajută la accelerarea cercetărilor atât de bază, cât și clinice despre corpul uman.
Emma Yasinski este reporter independent cu sediul în Florida. Urmăriți-o pe Twitter @EmmaYas24.
.