Druk 3D przyszłością biomedycyny

Naukowcy postawili sobie cel: w ciągu 10 lat, korzystając z technologii druku 3D zwanego biodrukowaniem, opracować metodę wytwarzania narządów do przeszczepów. Jakie są ich dotychczasowe osiągnięcia, a co hamuje rozwój?

Wyobraź sobie ludzką wątrobę, ale wydrukowaną za pomocą drukarki 3D. Albo nerkę. Pewnego dnia – eksperci twierdzą, że nastąpi to za mniej niż 10 lat – będzie to możliwe. Wtedy przemysł medyczny z pewnością odetchnie z ulgą, ponieważ przestanie zmagać się z niedoborem narządów do transplantacji. „Osiemnaście osób umiera każdego dnia w Stanach Zjednoczonych, nie doczekawszy się przeszczepu” – mówi Michael Renard, wiceprezes ds. operacji handlowych firmy Organovo, która jest jednym z liderów w dziedzinie inżynierii tkankowej. Jak wynika z danych Centrum Organizacyjno-Koordynacyjnego do spraw Transplantacji Poltransplant, w Polsce w roku 2012 zmarły łącznie 144 osoby, czekające na przeszczep nerki (42), serca (51), płuc (13) i wątroby (38).

Na zdjęciu drukarka NovoGen MMX Bioprinter firmy Organovo, która pozwoliła wydrukować tkankę wątroby.

Na zdjęciu drukarka NovoGen MMX Bioprinter firmy Organovo, która pozwoliła wydrukować tkankę wątroby.

Druk 3D z powodzeniem stosowany jest już w sektorze opieki zdrowotnej: do produkcji protez, niestandardowych aparatów słuchowych i w stomatologii. Teraz jednak technologia ta ma być wykorzystywana do tworzenia bardziej złożonych struktur – ludzkich tkanek. Wspomniana firma Organovo, której siedziba mieści się w San Diego, skupia się na medycynie regeneracyjnej. To stosunkowo nowa dziedzina, a jej celem jest leczenie metodą zastępowania komórek starych i chorych komórkami młodymi lub regeneracja organizmu za pomocą terapii genowej. Organovo używa drukarek 3D, nazywanych po prostu biodrukarkami, aby wytwarzać za ich pomocą ludzką tkankę do badań medycznych i terapii regeneracyjnych.

Tradycyjny druk 3D to tworzenie trójwymiarowych obiektów stałych na podstawie modelu cyfrowego. Osiąga się to dzięki stosowaniu procesu addytywnego, w którym dany obiekt tworzony jest metodą układania poszczególnych warstw materiału, takiego jak tworzywa sztuczne, ceramiczne, szkło lub metal. Biodrukarki z kolei używają „bioatramentu” składającego się z żywych komórek do wytwarzania ludzkiej tkanki. Zasadniczo bioatrament służy do tworzenia trójwymiarowej struktury komórek, warstwa po warstwie, w celu utworzenia tkanki.

„Możliwości drukowania ludzkiej tkanki towarzyszy duże podekscytowanie” – mówi dr Anthony Atala, dyrektor Wake Forest Institute of Regenerative Medicine z Karoliny Północnej, który otrzymał owacje na stojąco, kiedy podczas swojego wystąpienia na konferencji TED w 2011 wydrukował prototyp ludzkiej nerki, używając do tego żywych komórek. Od tego czasu naukowcom udało się sporo osiągnąć. Wykorzystano druk 3D m.in. do wytworzenia ludzkiego ucha (o czym za chwilę), natomiast Organovo w ubiegłym roku zaskoczyło branżę: firmie udało się z powodzeniem wydrukować ludzką tkankę wątroby, natomiast w 2014 chce już drukować wątroby 3D, które inne firmy farmaceutyczne będą mogły zastosować do badań toksykologicznych. Z kolei badacze specjalizujący się w medycynie regeneracyjnej z Wake Forest University przy współpracy z Armed Forces Institute for Regenerative Medicine stworzyli drukarkę 3D skóry, która osadza komórki bezpośrednio na ranach, aby szybciej się goiły. Czy dzięki technologii druku 3D będzie można w końcu wytwarzać prawdziwe organy?

Ucho sterowane telefonem

Profesor Larry Bonassar wraz ze studentami z Cornell University stworzył coś, co jeszcze kilka lat temu byłoby postrzegane jako dobry materiał do książki science fiction. Opracował metodę druku 3D, która pozwala stworzyć precyzyjnie wymodelowane zastępcze ucho. Podobnie jak wszystkie drukarki, ta w laboratorium Cornell także używa tuszu, ale jest on żywy. „Żel, którego używamy do drukowania, zawiera tak naprawdę żywe komórki. Zatem to, co wychodzi z drukarki, jest w rzeczywistości żywe. Możemy później wszczepić ten materiał pacjentowi, albo rozwijać go w inkubatorze do chwili, gdy będzie potrzebny” – mówi Bonassar. Jak to możliwe? Najpierw tworzony jest skan 3D prawdziwego ludzkiego ucha, a następnie na jego podstawie powstaje model cyfrowy. Później trafia on do komputera, do którego podłączona jest drukarka 3D. Zdaniem Bonassara ta technologia może odmienić życie dzieci, które rodzą się z mikrotią (choroba hamująca właściwy wzrost uszu).

Ucho wydrukowane za pomocą drukarki 3D w Cornell University.

Ucho wydrukowane za pomocą drukarki 3D w Cornell University.

Stworzone w ten sposób zastępcze ucho to dopiero początek możliwości druku 3D. Nie trzeba nawet daleko szukać: naukowcy z Princeton University również stworzyli ucho. Ich narząd, dostępny na razie jako prototyp, wyróżnia się wbudowaną anteną, która może odbierać znacznie fal dźwiękowe o znacznie większym zakresie częstotliwości niż ucho naturalne. Badacze przesłali do drukarki komórki cielęce wraz z ciekłym żelem, a także dodali drobne cząstki srebra. Drukarka była zaprogramowana tak, aby ukształtować ten materiał w ucho, a także wykorzystać cząstki srebra i owinąć je wokół specjalnej anteny. Jak inne anteny, również ta może odbierać sygnały radiowe, które ucho interpretuje jako dźwięk.

Opracowane w ten sposób ucho nie jest jednak przeznaczone dla ludzi – to eksperyment naukowy mający zbadać nowe metody łączenia elektroniki z materiałem biologicznym. „Tak naprawdę przede wszystkim udowodniliśmy, jak szerokie są możliwości druku 3D” – powiedział profesor Michael McAlpine, który nadzorował badania. Po wydrukowaniu ucho 3D jest miękkie i półprzezroczyste. Musi się potem rozwijać przez 10 tygodni – tyle czasu potrzeba, aby komórki się rozmnożyły, całość nabrała koloru ciała i aby wokół anteny uformowała się bardziej utwardzona tkanka.

Zdaniem McAlpine'a badania jego zespołu mogą doprowadzić do tego, że stworzone zostaną syntetyczne zamienniki części ludzkiego ciała i powstanie coś w rodzaju elektronicznego szóstego zmysłu. Wyobraźmy sobie, że w przyszłości słuch będziemy kontrolować za pomocą smartfona, dostosowując poziom głośności w zależności od potrzeb, a dodatkowo będziemy po prostu lepiej słyszeć.


Zobacz również