Druk 3D przyszłością biomedycyny


Mini organy do testowania leków i szczepionek

Projekt body on a chip wykorzystuje technologię biodrukowania do tworzenia miniwersji ludzkich organów, które następnie służą do badania reakcji organizmu na leki. Za projektem stoją duże pieniądze. Naukowcy otrzymali 24 mln dolarów od amerykańskiego Departamentu Obrony, aby opracować antidotum na silne środki stosowane na polu bitwy – chodzi o broń biologiczną i chemiczną. Badacze mają też inny cel: chcą stworzyć duże, funkcjonalne organy, które będą służyć do przeszczepów. Zanim jednak powstaną organy pełnowymiarowe, miniwersje służą do testowania leków. Projekt body on a chip to dobra alternatywa dla testów na zwierzętach, które często są nieefektywne i niedokładne, jeśli chodzi o mierzenie ludzkich reakcji. Dodatkowo można testować reakcję pełnego systemu, nie zaś pojedynczego organu.

Biodrukowanie pozwala naukowcom tworzyć tkanki ze znacznie większą precyzją i dokładnością. Anthony Atala, dyrektor Wake Forest Institute of Regenerative Medicine w Karolinie Północnej i główny naukowiec w projekcie, wyjaśnia, że pod względem stopnia skomplikowania są cztery typy tkanek. Najprostsze to płaskie konstrukcje, takie jak skóra, kolejne to struktury cylindryczne, takie jak naczynia krwionośne, narządy niecylindryczne, takie jak żołądek czy pęcherz moczowy. Natomiast najbardziej złożone są organy lite - jak serce, nerka czy wątroba, które. mają najwięcej komórek na powierzchni, więcej typów komórek, mają też wyższe wymagania żywieniowe i potrzebują dużo więcej unaczynienia i ukrwienia.

Zobacz również:

  • Pierwsza osoba na świecie otrzymała oko wydrukowane w 3D

Biorąc pod uwagę obecne możliwości, naukowcom udałoby się wszczepić pacjentom tylko trzy pierwsze typy tkanek. Co więcej, miniorgany są na tyle małe, że do przetrwania nie wymagają skomplikowanego drzewa naczyniowego. Miniwątroby, serca czy nerki nie są jednak w pełni funkcjonalne jak prawdziwe organy, ale dobrze je naśladują i dzięki temu nadają się do prowadzenia przeróżnych testów.

Na razie najwięcej szans na sukces, jeśli chodzi o stworzenie pełnowymiarowego organu, ma wątroba. Firma Organovo wydrukowała w zeszłym roku funkcjonalną miniwątrobę 3D, która przetrwała 5 dni – to dwa razy więcej niż średnia długość życia wersji 2D. Spółka wyjaśniła, że choć jeszcze daleko do stworzenia złożonego organu i gotowej do przeszczepu wątroby, mały model może być kluczem w walce z chorobami dotykającymi ten organ. Komórki wątroby, takie jak hepatocyty miąższowe, są rutynowo stosowane do testowania szkodliwych albo korzystnych wpływów leków w laboratoriach. Modele 2D nie mają cech prawdziwej ludzkiej wątroby, ponieważ brakuje im wielu funkcji i złożonych sieci komórkowych, dlatego nie są wystarczająco skuteczne przy testowaniu leków. Stworzenie modelu 3D może więc przede wszystkim przyśpieszyć badania.

Serce za 10 lat…

Wiele prac koncentruje się wokół jednego z najważniejszych organów: serca. Naukowcy są coraz bliżej stworzenia sztucznego serca, które mogłoby zastąpić prawdziwe. Zespół badaczy z Uniwersytetu Pittsburgha wytworzył tkankę serca, które w dodatku mogło bić samodzielnie. Do indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS), wygenerowanych z dojrzałej ludzkiej skóry, naukowcy przyczepili komórki serca myszy i przez 20 dni dostarczali do nich krew – po tym czasie serce zaczęło bić samodzielnie.

Druk 3D przyszłością biomedycyny

Na zdjęciu proces drukowania nerki.

Pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki iPS) to dojrzałe komórki, które można „przeprogramowywać” na komórki innego typu. I tak właśnie postąpili badacze, zmieniając je, aby stały się wielopotencjalnymi progenitorowanymi komórkami układu sercowo-naczyniowego (MCP), które tak naprawdę są prekursorem komórek serca. Dodatkowo przeprowadzono tak zwaną decellularyzację, polegającą na usuwaniu komórek – w tym wypadku komórek serca myszy – by kolejno dołączyć do narządu myszy stworzone wcześniej komórki MCP. Wszystko to jest nieco skomplikowane, ale właśnie w ten sposób serce myszy zostało całkowicie przebudowane za pomocą komórek ludzkiego serca i zaczęło funkcjonować. Naukowcy jednocześnie uprzedzają, że to dopiero prace wstępne oraz że trzeba jeszcze przeprowadzić dużo innych, równie skomplikowanych badań. Lei Yang, jeden z naukowców pracujących przy tym projekcie, ma nadzieję, że efekty pracy zespołu zostaną wykorzystane w przyszłości u pacjentów z chorobami serca. Będzie można również zastąpić fragment tkanki uszkodzonej przez zawał serca.

Co ciekawe, jeśli chodzi o biudrukowanie, serce jest jednym z najłatwiejszych organów do stworzenia. „Ośmielę się powiedzieć, że serce jest najłatwiejsze w biodrukowaniu. To tylko pompa z rurami, które trzeba do niej podłączyć. Znacznie bardziej skomplikowanym organem są nerki. Nie mówiąc już o mózgu” – twierdzi Stuart Williams, dyrektor wykonawczy i naukowy z Cardiovascular Innovation Institute. Williams i jego zespół pracuje z biologami, głowiąc się nad tym, jak można wydrukować serce z komórek tłuszczowych danej osoby.

Williams jest przekonany, że drukowane serca będą dostępne w ciągu najbliższych 10 lat. Jedną z największych przeszkód z biodrukowanymi organami jest utrzymanie ich przy życiu. Naukowcy muszą jeszcze rozgryźć, jak tworzyć skomplikowane sieci drobnych naczyń krwionośnych, dzięki którym organy mogą pozostać zdrowe i funkcjonować. Obecnie dostępne drukarki 3D mogą drukować bardzo małe obiekty, mające zaledwie kilka milimetrów, niemniej niektóre z najmniejszych naczyń krwionośnych mają szerokość zaledwie kilku mikronów (jedna tysięczna milimetra). Naukowcy przekonują jednak, że w przyszłości biodrukarki – a w rezultacie także drukowane przez nie organy - będą tak wszechobecne w szpitalach, jak aparaty rentgenowskie.