ABOVE: © ISTOCK.COM, DEVRIMB
I åratal har forskare förutspått att 3D-utskrift – som har använts för att tillverka leksaker, bostäder, vetenskapliga verktyg och till och med en plastkanin som innehöll en DNA-kod för sin egen replikation – en dag skulle kunna användas för att skriva ut levande mänskliga kroppsdelar för att lindra bristen på donatororgan. Hittills har forskare också använt 3D-utskrift inom medicin och tandvård för att skapa tandimplantat, proteser och modeller som kirurger kan öva på innan de gör snitt på en patient. Men många forskare har gått längre än att skriva ut plast och metall – de har skrivit ut celler som sedan bildar levande mänskliga vävnader.
Ingen har skrivit ut fullt fungerande, transplanterbara mänskliga organ ännu, men forskarna närmar sig. De tillverkar vävnadsbitar som kan användas för att testa läkemedel och utformar metoder för att övervinna utmaningarna med att återskapa kroppens komplexa biologi.
De första stegen
Den första 3D-skrivaren utvecklades i slutet av 1980-talet. Den kunde skriva ut små föremål som utformades med hjälp av programvara för datorstödd design (CAD). En konstruktion skulle virtuellt skäras upp i lager som bara var tre tusendelar av en millimeter tjocka. Sedan skulle skrivaren sätta ihop konstruktionen till en komplett produkt.
Det fanns två huvudstrategier som skrivaren kunde använda för att lägga upp mönstret: den kunde extrudera en pasta genom en mycket fin spets och skriva ut konstruktionen med början i det nedersta lagret och arbeta sig uppåt, varvid varje lager skulle stödjas av de föregående lagren. Alternativt skulle den kunna börja med en behållare fylld med harts och använda en spetsig laser för att stelna delar av denna harts för att skapa ett fast objekt uppifrån och ned, som skulle lyftas upp och avlägsnas från den omgivande hartsen.
När det gäller att skriva ut celler och biomaterial för att göra kopior av kroppsdelar och organ gäller samma två strategier, men förmågan att arbeta med biologiska material på detta sätt har krävt insatser från cellbiologer, ingenjörer, utvecklingsbiologer, materialforskare och andra.
Här långt har forskarna skrivit ut miniorganoider och mikrofluidikmodeller av vävnader, även kända som organ på chips. Båda har gett praktiska och teoretiska insikter om människokroppens funktion. Vissa av dessa modeller används av läkemedelsföretag för att testa läkemedel innan de går vidare till djurstudier och slutligen kliniska prövningar. En grupp har till exempel skrivit ut hjärtceller på ett chip och kopplat det till en bioreaktor innan man använde det för att testa hjärttoxiciteten hos ett välkänt cancerläkemedel, doxorubicin. Gruppen visade att cellernas slagfrekvens minskade dramatiskt efter exponering för läkemedlet.
För övrigt har forskarna ännu inte konstruerat organ som verkligen replikerar de otaliga strukturella egenskaperna och funktionerna hos mänskliga vävnader. ”Det finns ett antal företag som försöker göra saker som att skriva ut öron i 3D”, och forskare har redan rapporterat att de har transplanterat 3D-skrivna öron på barn som hade födelsefel som gjorde att deras öron var underutvecklade, konstaterar Robby Bowles, bioingenjör vid University of Utah. Örontransplantationerna är, säger han, ”ett slags första bevis på konceptet för 3D-utskrift inom medicinen.”
Se hela bildtexten
Bowles tillägger att forskarna fortfarande är ”en bit bort” från att skriva ut mer komplexa vävnader och organ som kan transplanteras till levande organismer. Men för många forskare är just det målet. I februari 2020 väntade mer än 112 000 personer i USA på en organtransplantation, enligt United Network for Organ Sharing. Ungefär 20 av dem dör varje dag.
I många år har biologiska ingenjörer försökt att bygga 3D-ställningar som de kan sålla med stamceller som så småningom skulle differentiera och växa till organens form, men ”i stor utsträckning tillåter dessa tekniker inte att man introducerar organisationen av gradienter och mönstret som finns i vävnaden”, säger Bowles. ”Det finns ingen kontroll över vart cellerna tar vägen i vävnaden.” Däremot gör 3D-utskrift det möjligt för forskare att mycket exakt styra placeringen av cellerna – en bedrift som skulle kunna leda till bättre kontroll över organutvecklingen.
Differentiering
Idealt skulle 3D-utskrivna organ byggas av celler som patientens immunsystem skulle kunna känna igen som sina egna, för att undvika avstötning från immunförsvaret och behovet av att patienterna ska ta immunosuppressiva läkemedel. Sådana organ skulle kunna byggas av patientspecifika inducerade pluripotenta stamceller, men en utmaning är att få cellerna att differentiera till den subtyp av mogna celler som behövs för att bygga ett visst organ. ”Svårigheten är att komma samman och producera komplexa mönster av celler och biomaterial tillsammans för att producera olika funktioner i olika vävnader och organ”, säger Bowles.
För att efterlikna de mönster som ses in vivo skriver forskarna ut celler i hydrogeler eller andra miljöer med molekylära signaler och gradienter som är utformade för att förmå cellerna att organisera sig själva till verklighetstrogna organ. Forskarna kan också använda 3D-utskrift för att bygga dessa hydrogeler. Med andra tekniker har ”de mönster som uppnåtts vanligtvis varit tvådimensionella”, säger Eben Alsberg, bioingenjör vid University of Illinois, till The Scientist i ett e-postmeddelande. ”Tredimensionell bioprinting tillåter mycket mer kontroll över signalpresentationen i 3D.”
För närvarande har forskarna skapat vävnadsfläckar som efterliknar delar av vissa organ, men de har inte lyckats efterlikna komplexiteten eller celltätheten hos ett helt organ. Men det är möjligt att för vissa patienter skulle till och med ett plåster vara en effektiv behandling. I slutet av 2016 meddelade ett företag som heter Organovo att man startat ett program för att utveckla 3D-utskriven levervävnad för transplantationer på människor efter att en studie visat att transplanterade fläckar av 3D-utskrivna leverceller framgångsrikt ingreps i en musmodell av en genetisk leversjukdom och ökade flera biomarkörer som tydde på en förbättring av leverfunktionen.
Kärlsystemet
Det är först under de senaste åren som forskarna har börjat göra framsteg med en av de största utmaningarna när det gäller att skriva ut 3D-organ: att skapa kärlsystemet. Efter att plåstren hade inplanterats i musens lever i Organovo-studien levererades blod till dem av den omgivande levervävnaden, men ett helt organ skulle behöva vara förberett för blodflöde.
”För att celler ska kunna hålla sig vid liv behövs blodtillförseln, så det kan inte bara vara en stor bit vävnad”, säger Courtney Gegg, senior director of tissue engineering på Prellis Biologics, som tillverkar och säljer ställningar för att stödja 3D-printade vävnader. ”Det har erkänts som ett av de viktigaste problemen.”
Mark Skylar-Scott, bioingenjör vid Wyss-institutet, säger att problemet har ”hållit tillbaka vävnadsteknik i årtionden”. Men 2018 lyckades Sébastian Uzel, Skylar-Scott och ett team vid Wyss-institutet 3D-printa ut en liten, pulserande hjärtkammare komplett med blodkärl. Några dagar efter att ha skrivit ut vävnaden säger Uzel att han kom in i labbet och hittade en bit ryckande vävnad, vilket var både ”väldigt skrämmande och spännande.”
För att cellerna ska kunna hålla sig vid liv behövs blodtillförseln, så det kan inte bara vara en stor vävnadsklump.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Istället för att skriva ut venerna i lager använde teamet sig av inbäddad utskrift – en teknik där materialet i stället för att byggas upp från botten av ett objektglas och uppåt extruderas direkt in i ett bad eller en matris. Denna strategi, som gör det möjligt för forskarna att skriva ut ”fri form i 3D”, säger Skylar-Scott, i stället för att behöva skriva ut varje lager ovanpå varandra för att stödja strukturen, är ett effektivare sätt att skriva ut ett kärlträd. Matrisen i det här fallet var det cellmaterial som utgjorde hjärtkammaren. Ett gelatinliknande bläck tryckte försiktigt undan dessa celler för att skapa ett nätverk av kanaler. När utskriften var klar värmdes kombinationen upp. Denna värme fick den cellulära matrisen att stelna, men gelatinet att bli flytande så att det sedan kunde sköljas ut och lämna utrymme för blodet att flöda igenom.
Men det betyder inte att problemet är helt löst. Wyss Institute-teamets ventrikel hade blodkärl, men inte alls lika många som ett hjärta i full storlek. Gegg påpekar att för att verkligen efterlikna mänsklig biologi måste ”en enskild cell befinna sig inom 200 mikrometer från din närmaste blodtillförsel. . . . Allt måste vara mycket, mycket nära.” Det är mycket mer komplicerat än vad forskarna hittills har skrivit ut.
På grund av hinder med att lägga till blodkärl och många andra utmaningar som 3D-skrivna vävnader fortfarande står inför, kommer laboratorietillverkade organ inte att vara tillgängliga för transplantation inom en snar framtid. Under tiden bidrar 3D-utskrift av delar av vävnad till att påskynda både grundläggande och klinisk forskning om människokroppen.
Emma Yasinski är en Florida-baserad frilansreporter. Följ henne på Twitter @EmmaYas24.