Kiedy wydrukujemy wątrobę?

Bioprinting to tworzenie, budowanie przestrzennych obiektów z materiałów biologicznych. W przeciwieństwie do druku trójwymiarowego, materiałem są tu żywe komórki. Choć jest to stosunkowo nowy trend w nauce, może niebawem zagościć w praktyce lekarskiej. Dlaczego wielu naukowców i klinicystów wiąże tak duże nadzieje z biodrukiem i medycyną regeneracyjną?

Z tematem bioprintingu wiele osób mogło się spotkać po raz pierwszy w 2009 roku po obejrzeniu nagrań z konferencji TEDMED w San Diego. Pierwsze badania prowadzone były jednak już wcześniej. Prof. Anthony Atala (dyrektor Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) opowiadał o wydrukowanym przez siebie pęcherzu moczowym, który został wszczepiony pacjentowi. Sam biorca, który w momencie wykładu był już kilka lat po operacji, pojawił się na scenie. Przewiduje się, że medycyna regeneracyjna i biodruk, będzie źródłem narządów do transplantacji, których tak dziś potrzebujemy.

Według danych z organdonor.gov (portal US Department of Health & Human Services) za 2013 r., tylko około 23 proc. pacjentów otrzymuje potrzebny organ. Liczba ta cały czas maleje, ze względu na zwiększającą się listę osób czekających na przeszczep.

Mimo, iż od wspomnianego wykładu, upłynęło kilka lat, bioprinting nie jest standardową praktyką. Jak wyglądają postępy w tej dziedzinie i co dziś jest już osiągalne? Aby kompleksowo przedstawić zagadnienie, należy najpierw zapoznać się z podstawami tej metody oraz jej ograniczeniami.

Bioprinting jako proces

Idea „produkcji” ludzkich narządów czy tkanek powstała jako modyfikacja znanych nam metod druku trójwymiarowego. Drukowany narząd czy tkanka powstaje poprzez nakładanie na siebie kolejnych warstw bio-materiału lub żywych komórek, które są ze sobą zestalane różnymi metodami. Ze względu na konieczność pracy w warunkach umożliwiających komórkom przeżycie, metoda ta wymaga uwzględnienia kilku istotnych czynników przy jej wdrażaniu. Wybór materiału, który będzie stanowił „środowisko” dla żywych komórek, jak i sam typ komórek, czynniki wzrostu i różnicowania oraz aspekty technologiczne (związane z toksycznością czy temperaturą procesu) należą do głównych z nich. Tak jak wyróżniamy wiele metod druku 3D, tak i w przypadku bioprintingu możemy opisać trzy główne techniki.

Metoda inkjet (drop-on-demand)

Inkjet stanowi modyfikację drukarek atramentowych, które wykorzystujemy w biurach czy w domach. Tusz ze zbiornika zastąpiony jest przez materiał biologiczny (żywe komórki w postaci płynnego materiału), a papier przez ruchomą platformę. Głowica wykonuje ruchy w osi x i y rysując pożądany kształt, a następnie platforma się obniża (trzeci wymiar, z) i kolejna mikro-warstwa komórek w postaci kropli materiału może zostać nałożona.

Mikrowytłaczanie

Ta najbardziej popularna metoda biodruku pozwala na operowanie gęstszym materiałem, zawierającym dużo większe stężenie żywych komórek. Są one zamknięte w specjalnym zbiorniku, z którego są następnie wytłaczane, tworząc obiekt na podobnej zasadzie jak w inkjet.

Bioprinting z wykorzystaniem lasera

Materiał zawierający żywe komórki znajduje się na szklanej „wstążce”, która pod wpływem lasera formuje pęcherz. Z jego powierzchni odrywa się fragment hydrożelu z żywymi komórkami. Materiał umieszczany jest w odpowiednim miejscu na podłożu i formuje na powierzchni platformy pożądany wzór.

Biodruk krok po kroku

1. Model 3D. Pierwszym etapem biodruku jest stworzenie przestrzennego modelu np. organu czy tkanki, odpowiadającego potrzebom konkretnego pacjenta. Wykorzystuje się zdjęcia z tomografii komputerowej lub jądrowego rezonansu magnetycznego, które po odpowiedniej obróbce pozwalają na stworzenie modelu gotowego do druku.
2. Wybór odpowiedniego podejścia do uzyskania docelowego obiektu. Następnie wybierane jest jedno z trzech głównych podejść:
a) drukowanie różnymi materiałami i komórkami, by idealnie odtworzyć strukturę poszczególnych elementów tkanki (biomimikra);
b) budowanie całych narządów z najmniejszych jego funkcjonalnych elementów (mini-tkanki);
c) wydruk większej struktury za pomocą komórek macierzystych, która uformuje ostateczny, pożądany przez nas kształt wykorzystując zdolność komórek do histogenezy.
3.    Wybór materiału (medium). Odpowiada on za takie właściwości wydruku, jak wytrzymałość, elastyczność.
4.    Wybór odpowiednich komórek. Aby wyeliminować ryzyko odrzutu, podbiera się w wyniku biopsji komórki pacjenta, a następnie je namnaża.
5.    Wybór metody druku.
6.    Ostateczne zastosowanie komórek (np. testy in vitro, implantacja czy ich dalsze namnażanie i powierzchniowe działanie).

Obecnie do druku używa się różnych materiałów. Zgodność z żywymi organizmami wykazują materiały pochodzenia naturalnego – żelatyna, kolagen, kwas hialuronowy czy fibryna, choć sztuczne surowce (np. glikol polietylenowy) także znajdują zastosowanie.

Pierwszy wydrukowany pęcherz moczowy (2006 r.)

Pionierskie prace prof. Atali, które prezentował w czasie konferencji TEDMED pozwoliły mu na „wydrukowanie” pęcherza. Prace prowadzone były na grupie pacjentów w wielu 4-19 lat. Każdemu badanemu wykonano biopsję, a następnie namnażano komórki nabłonkowe oraz mięśniowe, by później zaszczepić je na specjalnym rusztowaniu z kwasu poliglikolowego i kolagenu. Po 7 tygodniach od biopsji wyhodowane pęcherze wszczepiono pacjentom. Stan badanych został sprawdzony po około 46 miesiącach. Stwierdzono przyjęcie narządu oraz brak powikłań po interwencji.

Przedkliniczne testy leków

Jednym z liderów działających w obszarze bioprintingu jest firma Organovo ze Stanów Zjednoczonych. Firma, która powstała w 2009 roku, obecnie oferuje biodrukarkę NovoGen MMX oraz gotowe rozwiązania z tego obszaru. Obecnie Organaovo z wykorzystaniem swoich tkanek chce wypełnić lukę między badaniami na zwierzętach i testami klinicznymi. Docelowo firma chce drukować całe narządy, dziś oferuje m.in. tkanki wątroby. Keith Murphy, CEO Organovo uważa, że wykorzystywanie dostępnych dzięki biodrukowi tkanek można znacząco skrócić czas do wprowadzenia leku na rynek, a także przewidzieć ryzyko powikłań, które nie jest możliwe do zaobserwowania w badaniach na zwierzętach. Na potwierdzenie tej tezy firma zbadała toksyczność na wątrobę leku troglitazon na cukrzycę. Lek przeszedł bez zastrzeżeń szereg wymagań nakładanych na producentów przez FDA (Food and Drug Administration) i został wprowadzony na rynek w USA w 1998 roku. Już dwa lata później, ze względu na liczne przypadki ostrej niewydolności wątroby został wycofany. Badania wykonane na tkankach wątroby Organovo już po 7 dniach potwierdziły toksyczność leku. Według Murphy’ego, mimo iż długoterminowym celem jest wydruk funkcjonalnych narządów, już dziś powinniśmy wykorzystywać możliwości, jakie stwarza technologia.

Nowa skóra z drukarki

Bioprinting znajduje także swoje zastosowanie w leczeniu różnych schorzeń skórnych oraz w kosmetologii. Biologicznie zgodne komórki (razem z czynnikami wzrostu i macierzą pozakomórkową) mogą zostać zasymilowane przez tkankę i wspomóc proces jej regeneracji. Użyta biomatryca musi ulegać rozkładowi bez wydzielania toksycznych substancji, posiadać odpowiednie właściwości fizyczne i mechaniczne, by wytworzyć pożądaną formę wydruku, a co najważniejsze – stanowić środowisko, w którym komórki będą mogły się dalej namnażać. Stosuje się tutaj kolagen, celulozę, alginat, agarozę czy kwas hialuronowy. Naukowcy z Wake Forest School of Medicine dostrzegają duży potencjał tego zastosowania w regeneracji ran odnoszonych przez żołnierzy. Planują oni rozwinąć technologie w ciągu pięciu lat, tak, by była dostępna dla wojska w miejscu operacji militarnych, gdzie utrudniony jest dostęp do ośrodków medycznych.

W zeszłym roku Organovo dostarczyło swoich rozwiązań także znanemu producentowi kosmetyków L’Oreal, do prowadzenia testów bezpieczeństwa i skuteczności ich produktów. Połączenie dwóch gigantów ma znacząco skrócić czas do uzyskania (w porównaniu do klasycznych metod namnażania) tkanek skóry, na których mogą być prowadzane testy środków pielęgnacyjnych. Dodatkowo, laboratorium będzie mogło prowadzić badania na różnych typach skóry – np. atopowej czy skórze mężczyzn. W kosmetologii mówi się także o zastosowaniu komórek melanocytów w leczeniu bielactwa nabytego oraz melanocytów razem z komórkami macierzystymi w leczeniu niedobarwionych blizn w obrębie których zaburzona jest pigmentacja. Duże nadzieje wiązane są z regeneracją mieszków włosowych z wykorzystaniem komórek macierzystych – aczkolwiek niezbędne tu są dalsze badania.

Wyścig laboratoriów

Bioprinting jest na tyle młodą i szybko rozwijającą się dziedziną, że niemal codziennie pojawiają się doniesienia dotyczące pracy naukowców czy nowych rozwiązań dostarczanych przez firmy.
Niezbędnym elementem każdego wydrukowanego w przyszłości narządu będą naczynia krwionośne. Obecnie są one drukowane np. w Lawrence Livermore National Laboratory. Wytworzone z biomateriału tuby z czasem łączą się z prawdziwymi naczyniami i wykazują bardzo zbliżoną do nich funkcjonalność.

W zeszłym roku rosyjska firma 3D Bioprinting Solutions wydrukowała pierwszy na świecie gruczoł tarczowy (tarczycę) i wszczepiła go żyjącej myszy. Po 11 tygodniach od wszczepienia, gruczoł uzyskał swoją pełną funkcję, wydzielając hormony. Naukowcy weryfikują obecnie różne podejścia, pozwalające na przeprowadzenie analogicznej operacji na organizmie ludzkim.

Współpraca między Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science (ACES) oraz chirurgami i ortopedami z St. Vincent’s Hospital Melbourne zaowocowała powstaniem 3Doodlera. Urządzenie-długopis ma pomóc lekarzom naprawić uszkodzoną kość lub chrząstkę poprzez „rysowanie” żywymi komórkami na powierzchni kości w czasie operacji. Wkład urządzenia stanowią komórki macierzyste wraz z biopolimerem, które po nałożeniu, ulegają proliferacji w ciele pacjenta, a także różnicowaniu w komórki nerwowe, kości lub mięśnia. Do tej pory naukowcom udało się uzyskać 97 proc. wskaźnik przeżycia komórek.

Z kolei 5-letnie badania na Griffith University’s Menzies Institute w Australii pozwoliły na opracowanie metody pozwalającej drukować fragmenty szczęki oraz dziąseł pacjentów. Jak twierdzi twórca, prof. Saso Ivanovski, technologia ma być dużo szybsza i o wiele tańsza od klasycznych metod leczenia. Testy przedkliniczne planowane są na przyszły rok.

Jednym z głośniejszych odkryć ostatniego czasu są badania na Northwestern University. Udało się wyhodować, a także wszczepić do organizmu myszy funkcjonalny jajnik. Przewiduje się, że przeniesienie tej technologii na organizm ludzki pozwoli leczyć z bezpłodności szczególnie młode pacjentki, które w wyniku przebiegu nowotworu, utraciły płodność.

Bioprinting potrzebuje jeszcze dekady

O ile wydruk tkanek o niewielkiej grubości, struktur podobnych do naczyń krwionośnych (pustych w środku) czy nawet pęcherza moczowego jest już możliwy – to większe narządy stanowią wyzwanie. Jednym z głównych problemów, z którymi spotykają się biotechnolodzy jest unaczynienie i utrzymanie przy życiu większych, bardziej skomplikowanych organów. Narządy takie jak nerki czy wątroba, składają się z wielu różnych typów komórek. Aby z sukcesem wydrukować cały narząd należało by dysponować drukarką, która będzie w stanie operować bardzo szerokim wachlarzem materiałów-komórek. Ponadto niezbędnym jest tworzenie struktur o różnych właściwościach mechanicznych, np. miękka część miąższowa wątroby oraz dużo bardziej elastyczne naczynia krwionośne. Wszystkie problemy sukcesywnie rozwiązywane są przez badaczy na całym świecie. W styczniu tego roku zespół z Carnegie Mellon University (USA) opublikował artykuł, w którym proponuje modyfikację metody druku zapewniającą większą efektywność, a przede wszystkim wyższe bezpieczeństwo dla żywych komórek poddawanych drukowi.

Obecnie, wszystkie spółki biotechnologiczne pracujące nad rozwiązaniami z zakresu bioprintignu obserwują spadek swoich akcji. Nie jest to zaskakujące, biorąc pod uwagę niesamowity skok ich wartości w 2012 roku związany z optymizmem na giełdzie oraz dzisiejszemu, bardziej realnemu podejściu do rozwoju tej gałęzi nauki. Pomimo przedstawionych spektakularnych przykładów, szacuje się, że biodruk potrzebuje jeszcze około dekady, zanim będzie mógł być szeroko stosowany. Wynika to zarówno z wyzwań, jakie nadal stoją przed naukowcami, jak i samej procedury zatwierdzania innowacji przez amerykańską Food and Drug Administration (FDA) oraz europejską European Medicine Agency (EMA). Wszyscy jednak są jednego zdania – jeśli uda się nam wydrukować funkcjonalne narządy do przeszczepu, będzie to przełom w medycynie.

Źródła:

1.    Siemiński P, Budzik G. Techniki przyrostowe. Druk 3D. Drukarki 3D. Oficyna Wydawniczna Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2015.
2.    Velasuillo C, Gaule EA, Rodriquez L, Ibarra C, Ibarra-Ibarra LG. Skin 3D Bioprinting. Applications in Cosmetology. Journal of Cosmetics, Dermatological Sciences and Applications. 2015.
3.    Murphy SV, Atala A. 3D bioprintign of tissues and organs. Nature America. 2014.
4.    Henmi C, Nakamura M, Nishiyama Y, Yamaguchi K, Mochizuki S, Takiura K, Nagakawa H. Development of an effective three dimensional fabrication technique using inkjet technology for tissue model samples. Japanese Society for Alternatives to Animal Experiments. 2008.
5.    Bakhshinejad A, D’Souza RM. A brief comparison between available bio-printing methods. Great lakes Biomedical Conference. 2015.
6.    Faulkner-Jones A, Fyfe C, Cornelissen DJ, Gardner J, King J, Courtney A, Shu W. Bioprinting of human pluripotent stem cells and their directed differentiation into hepatocyte-like cells for the generation of mini-livers in 3D. Biofabrication. 2015.
7.    http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html [online] 30 kwietnia 2016.
8.    http://organovo.com/science-technology/bioprinted-human-tissue/ [online] 30 kwietnia 2016.
9.    http://www.impactlab.net/2008/11/09/emerging-field-of-organ-printing/ [online] 30 kwietnia 2016.
10.    http://pse.eng.u-toyama.ac.jp/bio7A/english/greeting/index.html [online] 30 kwietnia 2016.
11.    http://www.huffingtonpost.com/2015/03/01/3d-printed-organs-regenerative-medicine_n_6698606.html [online] 30 kwietnia 2016.
12.    http://www.ibtimes.co.uk/organovo-ceo-3d-bioprinting-organs-will-help-us-get-people-off-transplant-waiting-lists-1509076 [online] 30 kwietnia 2016.
13.    http://www.fool.com/investing/general/2015/12/02/where-will-organovo-holdings-be-in-ten-years.aspx [online] 30 kwietnia 2016.
14.    http://money.cnn.com/2015/06/17/technology/3d-bioprinting-skin/ [online] 30 kwietnia 2016.
15.    https://3dprint.com/127916/biopen-3d-bioprinting-pen/ [online] 30 kwietnia 2016.
16.    https://3dprint.com/127758/dentistry-bioprinting/ [online] 30 kwietnia 2016.
17.    https://3dprint.com/116801/bioprinting-acoustic-tweezers/ [online] 30 kwietnia 2016.
18.    https://3dprint.com/109265/llnl-bioprinting-blood-vessels/ [online] 30 kwietnia 2016.
19.    https://www.rt.com/news/323494-russian-3d-printed-thyroid/ [online] 30 kwietnia 2016.

Kiedy wydrukujemy wątrobę?
Oceń ten artykuł

Podobne wiadomości

Nie ma możliwości dodania komentarza