3D-tulostuksen ja sähkötekniikan avulla Anthony Atalan johtama Wake Forest Institute for Regenerative Medicinen biotekniikkaryhmä kasvattaa elinkelpoisia kudoksia ja elimiä potilaille. Vaikka monet näistä 3D-tulostetuista elimistä ovat vielä tutkimusvaiheessa, joidenkin pitäisi olla valmiita kliiniseen testaukseen vuoden tai kahden kuluessa.
yli 25 vuotta Atala on työskennellyt kudossolujen tuottamiseksi laboratoriossa. Sormista ja korvista munuaisiin ja sydämiin, hänen tiiminsä voi nyt luoda 40 erilaista elin-ja kudosrakennetta.

mitä on Elektrospinning?

nämä toimenpiteet aloitetaan ottamalla pieni näyte potilaan soluista alueelta, jota bioteknikot yrittävät luoda uudelleen. Esimerkiksi ihoa varten ne tarvitsevat vain noin postimerkin kokoisen siirteen. Bioreaktorissa solut monistuvat, kunnes elin kasvaa.

3D-bioprinterit tallettavat erityyppisiä soluja samalla tavalla kuin väri-3D-tulostin tallettaa erityyppisiä polymeerejä. Valokuva: Wake Forest

seuraava vaihe on rakentaa solunulkoinen matriisi eli tukiranka, jonka päälle solut muodostuvat. Sitten ryhmä kylvää matriisiin kasvua edistäviä aineita ja biokemikaaleja, jotka saavat solut kehittymään tietyillä tavoilla. Matriisi tuottaa myös mekaanisia voimia, jotka muokkaavat solujen kehitystä.
rakenteiden, kuten ihon tai verisuonten, valmistamiseen laboratorio käyttää electrospinningiä, 3D-tulostustekniikkaa, joka muistuttaa koneita, joita käytetään sokerin kehräämiseen hattaraksi.
Bioengineeraajat käyttävät tätä tekniikkaa pyöräyttääkseen hydrogeelipolymeerin suurilla nopeuksilla, jolloin polymeeri venyy pitkiksi kuitusäikeiksi. Tämän jälkeen koneen keskelle asetetaan ohut tanko. Hydrogeelikuidut tarttuvat tankoon aivan kuten pörröinen hattara kiinnittyy paperikartioon. Tutkijat manipuloivat polymeerin muotoa-vaihtelemalla jännitettä, kunnes ovat matkineet luomaansa rakennetta.
jatkolukemista: 3D-tulostus elävä iho verisuonilla
kun tutkijat saavuttavat halutun muodon, he suihkuttavat soluja bioreaktorista matriisiin ja kerrostavat sen toistuvasti vastaamaan luonnollisia rakenteita. Ihon uudelleenluomiseksi he esimerkiksi aloittaisivat levittämällä ihonalaisen kerroksen soluja ja sitten verinahan ja orvaskeden soluja.
kun rakenne on kerrostunut matriisiin, se asetetaan inkubaattoriin, joka jäljittelee ihmiskehon olosuhteita. Siinä tämä matriisin, biokemikaalien ja solujen yhdistelmä alkaa elää omaa elämäänsä käyttäen matriisia oppaana.
vaikka tämä tekniikka sopii täydellisesti yksinkertaisiin ja kevyisiin rakenteisiin, kuten ihoon ja verisuoniin, siitä puuttuu tarkkuus ja kyky luoda kiinteitä kolmiulotteisia rakenteita kuten sydän.

kuinka tulostaa kiinteitä elimiä?

kiinteän elimen luomiseksi tutkijat tarvitsevat tavan edistää verisuonten kasvua niin, että jokainen elimen solu saa happea ja ravinteita ja se voi poistaa kuona-aineita. Näiden suurista valtimoista pienimpiin verisuoniin haarautuvien verisuonipuiden luominen on askarruttanut tutkijoita vuosikymmeniä. Silti Atalan tiimi on kehittänyt pari potentiaalista ratkaisua.

yksi useista 3D-tulostimista, jotka on suunniteltu solujen tulostamiseen. Kuva: Wake Forest

ensimmäinen ratkaisu alkaa olemassa olevasta luovuttajaelimestä, kuten maksasta. Ensin Wake Forestin bioteknikot laittavat sen pesukoneen tapaan ravistimeen, jossa on mietoja pesuaineita noin kahdeksi viikoksi.
”täryseulan läpi käytyään urkua voisi pidellä ja se näyttäisi ja tuntuisi samalta kuin urut, mutta siinä ei olisi soluja”, Atala sanoi. ”Olimme säilyttäneet elimen luurangon.”
tämä luuranko on tehty kollageenista, proteiinista, jota on elimistön sidekudoksessa ja sen solunulkoisissa matriiseissa. Kuten electrospun-matriisi, kollageenimatriisi tarjoaa rakenteen ja mekaaniset voimat, joita solut tarvitsevat jakautuakseen ja ottaakseen elintoimintoihin liittyviä tehtäviä. Elimen luuranko talletetaan sitten potilaan maksasoluihin, jotka kansoittavat elimen uudelleen, jolloin se herää eloon monilla ihmisen maksan toiminnoilla.
vaikka tämä menetelmä on lupaava, se tarkoittaa silti odottelua luovuttajan elimelle, jonka kanssa työskennellä. 3D-tulostus voi tarjota keinon kiertää se. Tämä menetelmä vaatii paljon enemmän ymmärrystä itse elimestä, mutta lupaa vapauttaa potilaat odottamasta luovuttajan elintä.
Lisätietoja: 3D Bioprinter tulostaa terveen ihon potilaille minuuteissa
”sydämen kaltaisessa elimessä tapahtuu niin paljon, ettemme näe, ellemme aloita tyhjästä”, Atala sanoi. ”Tarkastelemme rakennetta 360 asteen näkökulmasta varmistaaksemme, että voimme jäljitellä elimen toimivuutta kaikin mahdollisin tavoin, tai se ei selviä.”
Yksi tapa tehdä se on pitää urkujen Rakentaminen ja oppia rakennuksista. Tätä varten Atala tiimeineen on rakentanut toistakymmentä tulostinta, jotka suorittavat kiinteän urun monimutkaisia rakennusprosesseja. Tulostimet toimivat kuin värimustesuihkutulostimet, mutta musteen sijaan niiden patruunoissa on tyypin mukaan eroteltuja soluja.
aluksi bioprinteriin Ladataan potilas-ja elintietoa, pohjapiirustus siitä, mitä rakennetaan. Suuttimien avulla tulostin tallettaa solukerroksia paksuksi geeliksi. Tämä synnyttää hitaasti elimen rakenteen säilyttäen samalla sen sisällä olevien solujen elämän.
kun ryhmä vielä hallitsee tätä topografista insinööritaidon muotoa, 3D-tulostus antaa tutkijoille mahdollisuuden selvittää yksityiskohdat. Yrityksen ja erehdyksen kautta he ovat onnistuneesti ohjelmoineet tulostimet tallettamaan pienimpiäkin verisuonia monimutkaiseen elimeen.

onko 3D-Bioprinttaus elinsiirron tulevaisuus?

riippumatta siitä, mitä näistä tekniikoista ryhmä käyttää, kestää noin neljästä kuuteen viikkoa rakentaa terve korvaaja potilaalle. Koska korvaava kudos tai elin on valmistettu potilaan omista soluista, hylkimisreaktion todennäköisyys on käytännössä olematon—eli potilaat paranevat nopeammin kuin koskaan ennen eikä heidän tarvitse ottaa lääkkeitä estääkseen immuunijärjestelmää hyökkäämästä siirrännäisen kimppuun.
Lisätietoja: Top 10 Bioengineering Trends for 2020
”jotta pystyisimme luomaan näitä rakenteita potilaan omilla soluilla niin, että ne todella voivat sopeutua ja parantua, se on meidän toiveemme”, Atala sanoi. ”Haluamme varmistaa, että voimme tavoittaa mahdollisimman monta potilasta.”
Atala kertoo, että yksinkertaisemmissa rakenteissa, kuten ihossa ja verisuonissa, on jo onnistuneita ihmiskokeita ja ollaan klinikalla parin vuoden sisällä. Kiinteät elimet kestävät paljon kauemmin.
se on ollut merkittävä matka Atalalle, ja hänen edistysaskeleensa ovat luoneet perustan ja tietopohjan ihmisen solukudoksen menestyksekkäälle tuottamiselle.
Cassie Kelly on Columbuksessa, Ohiossa asuva insinööri-ja ympäristökirjailija.
Ilmoittaudu tänään AM Medical: May 27-28, 2020 in Minneapolis, MN