3D nyomtatás és elektrospinning segítségével az Anthony Atala által vezetett Wake Forest Regeneratív Orvostudományi Intézet bioengineereinek csapata életképes szöveteket és szerveket termel a betegek számára. Míg ezek közül a 3D-nyomtatott szervek közül sok a kutatási szakaszban marad, néhánynak egy-két éven belül készen kell állnia a klinikai tesztelésre.
az Atala több mint 25 éve dolgozik a szövetsejtek előállításán a laborban. Az ujjaktól a fülekig, a vesékig és a szívekig, csapata most 40 különböző szerv-és szövetszerkezetet tud létrehozni.

Mi az Elektrospinning?

Ezek az eljárások azzal kezdődnek, hogy egy kis mintát vesznek a páciens sejtjeiből a területről, amelyet a bioengineerek megpróbálnak újra létrehozni. Például a bőr esetében csak olyan nagy graftra van szükségük, mint egy postai bélyegző. Ezután egy bioreaktoron belül replikálják ezeket a sejteket, amíg elegendő a szerv növekedéséhez.

3D bioprinterek letétbe különböző típusú sejtek, ahogy a színes 3D nyomtató lerakódik különböző típusú polimer. Fotó: Wake Forest

a következő lépés az extracelluláris mátrix vagy állvány felépítése, amelyen a sejtek képződnek. A csapat ezután magozza a mátrixot növekedésserkentőkkel és biokémikusokkal, amelyek arra késztetik a sejteket, hogy speciális módon fejlődjenek. A mátrix mechanikai erőket is biztosít, amelyek alakítják a sejtek fejlődését.
struktúrák, például bőr vagy erek készítéséhez a laboratórium elektrospinning-et használ, egy 3D nyomtatási technikát, amely hasonlít a cukor vattacukorba történő forgatására használt gépekre.
A Bioengineerek ezt a technikát használják egy hidrogél polimer nagy sebességgel történő centrifugálására, arra kényszerítve a polimert, hogy hosszú szálakra nyúljon. Ezután egy vékony rudat helyeznek a gép közepére. A hidrogélszálak ugyanúgy tapadnak a rúdhoz,mint a bolyhos vattacukor egy papírkúphoz. A tudósok manipulálják a spongey polimer alakját a feszültség megváltoztatásával, amíg meg nem utánozzák az általuk létrehozott szerkezetet.
további olvasmányok: 3D-s Nyomtatási Élő Bőr Erek
Egyszer kutatók elérni a kívánt formát, ők spray sejtek a bioreaktor rá a mátrix, rétegződés az ismétlődő hogy megfeleljen természetes struktúrák. A bőr újrateremtéséhez például a bőr alatti rétegből, majd a dermisből és az epidermiszből származó sejteket kell alkalmazni.
a mátrixra rétegezve a szerkezetet egy inkubátorba helyezzük, amely utánozza az emberi test körülményeit. Ott, ez a kombináció a mátrix, biokémikusok, sejtek kezd, hogy egy életet a saját, a mátrix, mint egy útmutató.

bár ez a technika tökéletes az egyszerű és könnyű szerkezetekhez, mint a bőr és az erek, hiányzik belőle a precizitás és a képesség, hogy szilárd háromdimenziós struktúrákat hozzon létre, mint a szív.

Hogyan lehet nyomtatni a szilárd szerveket?

egy szilárd szerv létrehozásához a kutatóknak olyan módszerre van szükségük, amely elősegíti az erek növekedését, hogy a szerv minden sejtje megkapja az oxigént és a tápanyagokat, és kiküszöbölheti a hulladékot. Ezeknek a véredényfáknak a létrehozása, amelyek a nagy artériákból a legkisebb edényekbe ágaznak, évtizedek óta zavarja a kutatókat. Az Atala csapata azonban kifejlesztett néhány lehetséges megoldást.

A cellák nyomtatására tervezett több 3D nyomtató egyike. Fotó: Wake Forest

az első megoldás egy meglévő donor szervvel, például májjal kezdődik. Először is, a Wake Forest bioengineers egy rázógépbe helyezi, hasonlóan egy mosógéphez, enyhe mosószerekkel körülbelül két hétig.
“miután átmentél a rázógépen, megtarthattad a szervet, és úgy nézett ki, mint a szerv, de nem volt sejtje” – mondta Atala. “Lényegében megtartottuk az orgona csontvázát.”
Ez a csontváz kollagénből, a szervezet kötőszövetében található fehérjéből és extracelluláris mátrixaiból áll. Az elektrospun mátrixhoz hasonlóan a kollagén mátrix biztosítja a struktúrát, a mechanikai erőknek pedig a sejteknek meg kell osztaniuk a szervekkel kapcsolatos funkciókat. A szerv csontvázát ezután a páciens májsejtjeibe helyezik, amelyek újratelepítik a szervet, életre keltve az emberi máj számos funkcióját.
bár ez a módszer ígéretes, még mindig azt jelenti, hogy várni kell egy donor szervet, amellyel dolgozni lehet. A 3D-s nyomtatás erre megoldást kínálhat. Ez a módszer sokkal jobban megérti magát a szervet, de megígéri, hogy megszabadítja a betegeket a donor szerv várakozásától.
további olvasás: a 3D Bioprinter perceken belül egészséges bőrt nyomtat a betegekre
“Olyan sok minden történik egy olyan szervben, mint a szív, amit csak akkor látunk, ha a semmiből indulunk” – mondta Atala. “A struktúrát 360 fokos szempontból vizsgáljuk, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy minden lehetséges módon megismételhetjük-e a szerv funkcionalitását, vagy nem fog túlélni.”
ennek egyik módja, hogy folyamatosan építsünk szerveket és tanuljunk az építményekből. E célból Atala és csapata több mint egy tucat nyomtatót készített, hogy elvégezzék a szilárd szerv felépítésének összetett folyamatait. A nyomtatók úgy működnek, mint a színes tintasugaras nyomtatók, de a tinta helyett a patronok típus szerint elkülönített cellákat tartalmaznak.
a kezdéshez a bioprinter tele van beteg-és szervinformációkkal, egy tervrajz arról, hogy mit kell felépíteni. A fúvókák rendszerén keresztül a nyomtató vastag gélként lerakja a cellák rétegeit. Ez lassan generálja a szervszerkezetet, miközben megőrzi a benne beágyazott sejtek életét.
míg a csapat még mindig elsajátítja ezt a topográfiai mérnöki formát, a 3D nyomtatás lehetőséget ad a kutatóknak a részletek kidolgozására. Próbaverzió és hiba révén sikeresen programozták a nyomtatókat, hogy még a legkisebb ereket is letétbe helyezzék egy összetett szervben.

a 3D Bioprinting a szervátültetés jövője?

nem számít, hogy ezek közül a technikák közül melyiket használja a csapat, körülbelül négy-hat hétig tart, hogy egészséges helyettesítést hozzon létre egy beteg számára. Mivel a helyettesítő szövet vagy szerv a beteg saját sejtjeiből készül, gyakorlatilag nincs valószínűsége az elutasításnak—vagyis a betegek gyorsabban gyógyulnak, mint valaha, és nem kell gyógyszereket szedniük, hogy immunrendszerük ne támadjon a transzplantációra.
további olvasás: Top 10 Bioengineering Trends for 2020
“ahhoz, hogy ezeket a struktúrákat a beteg saját sejtjeivel lehessen létrehozni, ahol valóban képesek alkalmazkodni és gyógyítani, ez a remény számunkra” – mondta Atala. “Biztosítani akarjuk, hogy annyi beteget érjünk el, amennyit csak tudunk.”
Atala szerint az egyszerűbb struktúrák, mint a bőr és az erek, már sikeres emberi kísérleteket végeztek, és néhány éven belül a klinikán lesznek. A szilárd szervek sokkal tovább tartanak.
figyelemre méltó út volt Atala számára, és fejlődésével megalapozta és megalapozta a sikeres emberi sejtszövet-generációt.
Cassie Kelly mérnöki és környezetvédelmi író, székhelye Columbus, Ohio.
regisztráljon ma az AM Medical – re: 2020. május 27-28. Minneapolisban, MN