S pomocí 3D tisku a elektrostatické zvlákňování, tým bioinženýrů na Wake Forest Institute for Regenerative Medicine vést Anthony Atala je stále životaschopnou tkání a orgánů pro pacienty. Zatímco mnoho z těchto 3D tištěných orgánů zůstává ve fázi výzkumu, některé by měly být připraveny ke klinickému testování do jednoho nebo dvou let.
Více než 25 let pracuje Atala na generování tkáňových buněk v laboratoři. Od prstů a uší po ledviny a srdce může jeho tým nyní vytvořit 40 různých struktur orgánů a tkání.

Co je Electrospinning?

tyto postupy začínají odebráním malého vzorku buněk pacienta z oblasti, kterou se bioinženýři snaží znovu vytvořit. Například pro kůži potřebují pouze štěp asi tak velký jako poštovní známka. Pak, v bioreaktoru, replikují tyto buňky, dokud není dostatek k růstu orgánu.

3D bioprinters vkladu různé typy buněk, jak barevné 3D tiskárny vkladů různých typů polymerů. Fotografia: Wake Forest

dalším krokem je vytvoření extracelulární matrice nebo lešení, na kterém se buňky tvoří. Tým pak semena matice s růstových stimulátorů a biochemicals, které vyzve buňky vyvinout v konkrétní způsoby. Matrice také poskytuje mechanické síly, které formují vývoj buněk.
, Aby se struktur, jako kůže nebo cév, laboratoř používá elektrostatické zvlákňování, 3D tisk technika, která se podobá stroje slouží k roztočení cukr na cukrovou vatu.
Bioinženýrů použít tuto techniku spin hydrogel polymeru při vysokých rychlostech, nutí polymeru se protáhnout na dlouhá vlákna. Poté umístí tenkou tyč do středu stroje. Hydrogelová vlákna přilnou k tyči, stejně jako načechraná cukrová vata se připojí k papírovému kuželu. Vědci manipulují s tvarem houbovitého polymeru změnou napětí, dokud napodobují strukturu, kterou vytvářejí.
Další čtení: 3D Tisk Živých Kůže s cévami
Poté, co vědci dosáhnout požadovaného tvaru, stříkají buňky z bioreaktoru na matrice, vrstvení to opakovaně, aby odpovídaly přírodní struktury. Například k obnovení pokožky by začaly aplikací buněk z podkožní vrstvy a poté buněk z dermis a epidermis.
Po vrstvení na matrici se struktura umístí do inkubátoru, který napodobuje podmínky lidského těla. Tam, tato kombinace matrice, biochemikálie, a buňky začnou žít svůj vlastní život, pomocí matrice jako průvodce.
ačkoli je tato technika ideální pro jednoduché a lehké struktury, jako je kůže a krevní cévy, postrádá přesnost a schopnost vytvářet pevné trojrozměrné struktury, jako je srdce.

Jak tisknout pevné orgány?

Pro vytvoření solidních orgánů, výzkumných pracovníků je třeba způsob, jak podpořit růst krevních cév tak, že každá buňka v orgánu přijímá kyslík a živiny, a to může odstranit odpad. Vytváření těchto cév stromy, které větev z velkých tepen do nejmenších cév, má pařezy vědci po celá desetiletí. Přesto tým Ataly vyvinul několik možných řešení.

jedna z několika 3D tiskáren určených k tisku buněk. Foto: Wake Forest

první řešení začíná existujícím dárcovským orgánem, jako je játra. Nejprve jej bioinženýři Wake Forest umístí do třepačky, podobně jako pračka, s jemnými čisticími prostředky asi dva týdny.
„poté, co jste prošli třepačkou, mohli byste držet orgán a vypadal by a cítil se jako orgán,ale neměl by žádné buňky,“ řekl Atala. „V podstatě jsme zachovali kostru varhan.“
tato kostra je vyrobena z kolagenu, proteinu, který se nachází v pojivové tkáni těla a jeho extracelulárních matricích. Stejně jako elektrospunová matrice poskytuje kolagenová matrice strukturu a mechanické síly, které buňky potřebují k rozdělení a převzetí funkcí souvisejících s orgány. Kostra orgánu je pak uložena v jaterních buňkách pacienta, které znovu osídlují orgán a oživují ho mnoha funkcemi lidské jater.
i když je tato metoda slibná, stále to znamená čekat na dárcovský orgán, se kterým bude pracovat. 3D tisk může nabídnout způsob, jak to obejít. Tato metoda vyžaduje mnohem více porozumění samotnému orgánu, ale slibuje, že osvobodí pacienty od čekání na dárcovský orgán.
Další čtení: 3D Bioprinter tiskne zdravou kůži na pacienty během několika minut
„V orgánu, jako je srdce, se toho děje tolik, že nemůžeme vidět, pokud nezačneme od nuly,“ řekl Atala. „Díváme se na strukturu z pohledu 360 stupňů, abychom se ujistili, že můžeme replikovat funkčnost orgánu všemi možnými způsoby, nebo to nepřežije.“
jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je udržet budování orgánů a poučit se z budování. Za tímto účelem, Atala a jeho tým mají vyvinuty více než tucet tiskárny provádět složité procesy budování solidních orgánů. Tiskárny fungují jako barevné inkoustové tiskárny, ale místo inkoustu obsahují jejich kazety buňky oddělené podle typu.
Pro začátek je bioprinter nabitý informacemi o pacientech a orgánech, plánem toho, co postavit. Prostřednictvím systému trysek tiskárna ukládá vrstvy buněk jako hustý gel. To pomalu vytváří strukturu orgánů při zachování života buněk v ní zabudovaných.
zatímco tým stále ovládá tuto topografickou formu inženýrství, 3D tisk dává vědcům šanci zjistit podrobnosti. Prostřednictvím pokusů a omylů, byly úspěšně programování tiskárny uložit i ty nejmenší krevní cévy v komplexní orgán.

3D Bioprinting budoucnost transplantace orgánů?

bez ohledu na to, kterou z těchto technik tým používá, trvá asi čtyři až šest týdnů, než se vytvoří zdravá náhrada za pacienta. Protože náhradní tkáně nebo orgánu je vyroben z vlastních buněk pacienta, není prakticky žádná pravděpodobnost odmítnutí—což znamená, pacienti se hojí rychleji než kdy předtím, a není třeba brát léky, aby jejich imunitní systém útočí na transplantaci.
Další Čtení: Top 10 Bioinženýrství Trendy pro rok 2020
„, Aby bylo možné vytvořit tyto struktury se pacientovy vlastní buňky, kde se skutečně mohou přizpůsobit a léčit, to je naděje pro nás,“ Atala řekl. „Chceme se ujistit, že můžeme oslovit co nejvíce pacientů.“
Atala říká, že zjednodušené struktury, jako je kůže a krevní cévy, již prodělaly úspěšné pokusy na lidech a budou na klinice během několika let. Pevné orgány budou trvat mnohem déle.
Pro Atalu to byla pozoruhodná cesta a jeho pokroky položily základy a znalostní základnu pro úspěšnou generaci lidských buněčných tkání.
Cassie Kelly je inženýrská a environmentální spisovatelka se sídlem v Columbusu v Ohiu.
Zaregistrujte se ještě dnes pro AM Medical: Květen 27-28, 2020 v Minneapolis, MN