przy pomocy druku 3D i elektropinningu zespół bioinżynierów w Instytucie Medycyny Regeneracyjnej Wake Forest pod kierownictwem Anthony ’ ego Atali hoduje żywe tkanki i narządy dla pacjentów. Podczas gdy wiele z tych organów drukowanych 3D pozostaje w fazie badań, niektóre powinny być gotowe do badań klinicznych w ciągu roku lub dwóch.
od ponad 25 lat Atala pracuje nad wytwarzaniem komórek tkankowych w laboratorium. Od palców i uszu po nerki i serca, jego zespół może teraz stworzyć 40 różnych struktur narządów i tkanek.

czym jest Elektrospinning?

procedury te rozpoczynają się od pobrania niewielkiej próbki komórek pacjenta z obszaru, który bioinżynierowie próbują odtworzyć. Na przykład dla skóry potrzebują tylko przeszczepu o wielkości znaczka pocztowego. Następnie, w bioreaktorze, replikują te komórki, dopóki nie jest wystarczająco dużo, aby wyhodować narząd.

bioprintery 3D osadzają różne typy komórek, tak jak kolorowa drukarka 3D osadza różne typy polimerów. Zdjęcie: Wake Forest

następnym krokiem jest zbudowanie macierzy zewnątrzkomórkowej, czyli rusztowania, na którym tworzą się komórki. Zespół następnie nasiona matrycy z promotorami wzrostu i biochemikaliów, które skłaniają komórki do rozwoju w określony sposób. Matryca dostarcza również siły mechaniczne, które kształtują rozwój komórek.
do tworzenia struktur, takich jak skóra lub naczynia krwionośne, laboratorium używa elektrospinning, techniki druku 3D, która przypomina Maszyny używane do spinania cukru w watę cukrową.
Bioinżynierowie używają tej techniki do wirowania polimeru hydrożelowego z dużą prędkością, zmuszając polimer do wydłużania się w długie pasma włókna. Następnie umieszczają cienki pręt na środku maszyny. Włókna hydrożelowe przylegają do pręta, podobnie jak Puszysta wata cukrowa przywiązuje się do papierowego stożka. Naukowcy manipulują kształtem gąbczastego polimeru, zmieniając napięcie, dopóki nie naśladują struktury, którą tworzą.
Czytaj dalej: Drukowanie 3D Żywa Skóra z naczyniami krwionośnymi
gdy naukowcy osiągną pożądany kształt, rozpylają komórki z bioreaktora na matrycę, nakładając ją powtarzalnie, aby pasowała do naturalnych struktur. Aby odtworzyć skórę, na przykład, zaczęli od zastosowania komórek z warstwy podskórnej, a następnie tych z skóry właściwej i naskórka.
po nałożeniu na matrycę struktura jest umieszczana w inkubatorze, który naśladuje warunki ludzkiego ciała. Tam ta kombinacja matrycy, biochemikaliów i komórek zaczyna nabierać własnego życia, używając matrycy jako przewodnika.

chociaż ta technika jest idealna dla prostych i lekkich struktur, takich jak skóra i naczynia krwionośne, brakuje jej precyzji i zdolności do tworzenia solidnych trójwymiarowych struktur, takich jak serce.

Jak wydrukować organy stałe?

Aby stworzyć narząd stały, naukowcy potrzebują sposobu na promowanie wzrostu naczyń krwionośnych, aby każda komórka w narządzie otrzymała tlen i składniki odżywcze i mogła wyeliminować odpady. Tworzenie tych drzew naczyń krwionośnych, które rozgałęziają się od dużych tętnic do najmniejszych naczyń krwionośnych, od dziesięcioleci wprawia naukowców w zakłopotanie. Jednak zespół Atali opracował kilka potencjalnych rozwiązań.

jedna z kilku drukarek 3D przeznaczonych do drukowania komórek. Zdjęcie: Wake Forest

pierwsze rozwiązanie zaczyna się od istniejącego narządu dawcy, takiego jak wątroba. Po pierwsze, bioinżynierowie Wake Forest umieszczają go w shakerze, podobnie jak pralkę, z łagodnymi detergentami przez około dwa tygodnie.
„po przejściu przez wstrząsarkę, można było trzymać narząd i wyglądał i czuł się jak narząd, ale nie miał komórek” – powiedział Atala. „Zasadniczo zachowaliśmy szkielet narządu.”
ten szkielet jest wykonany z kolagenu, białka znajdującego się w tkance łącznej organizmu i jego matrycach zewnątrzkomórkowych. Podobnie jak matryca elektrosprzęgłowa, matryca kolagenowa zapewnia strukturę i siły mechaniczne, których komórki potrzebują do podziału i przejmowania funkcji związanych z narządami. Szkielet narządu jest następnie odkładany w komórkach wątroby pacjenta, które ponownie zaludniają narząd, przywracając go do życia z wieloma funkcjami ludzkiej wątroby.
chociaż ta metoda jest obiecująca, nadal oznacza oczekiwanie na narząd dawcy, z którym będzie działać. Drukowanie 3D może to obejść. Ta metoda wymaga znacznie lepszego zrozumienia samego narządu, ale obiecuje uwolnić pacjentów od czekania na narząd dawcy.
Czytaj dalej: Bioprinter 3D Drukuje zdrową skórę pacjentom w ciągu kilku minut
„w narządzie takim jak serce dzieje się tak wiele, że nie możemy zobaczyć, dopóki nie zaczniemy od zera” – powiedziała Atala. „Patrzymy na strukturę z perspektywy 360 stopni, aby upewnić się, że możemy odtworzyć funkcjonalność narządu w każdy możliwy sposób, inaczej nie przetrwa.”
jednym ze sposobów na to jest budowanie organów i uczenie się z nich. W tym celu Atala i jego zespół zaprojektowali ponad tuzin drukarek do przeprowadzania złożonych procesów budowy solidnych organów. Drukarki działają jak kolorowe drukarki atramentowe, ale zamiast atramentu, ich wkłady zawierają komórki posegregowane według typu.
na początek bioprinter jest załadowany informacjami o pacjentach i narządach, plan tego, co zbudować. Poprzez system dysz drukarka odkłada warstwy komórek w postaci gęstego żelu. To powoli generuje strukturę narządu, zachowując życie komórek w nim osadzonych.
podczas gdy zespół wciąż opanowuje tę topograficzną formę inżynierii, drukowanie 3D daje badaczom szansę na wypracowanie szczegółów. Metodą prób i błędów z powodzeniem programują drukarki, aby odkładały nawet najmniejsze naczynia krwionośne w złożonym narządzie.

czy Bioprint 3D to przyszłość Transplantacji Narządów?

bez względu na to, którą z tych technik zastosuje zespół, zbudowanie zdrowego zamiennika dla pacjenta zajmuje około czterech do sześciu tygodni. Ponieważ tkanka lub narząd zastępczy składa się z własnych komórek pacjenta, praktycznie nie ma prawdopodobieństwa odrzucenia przeszczepu—co oznacza, że pacjenci leczą się szybciej niż kiedykolwiek wcześniej i nie muszą przyjmować leków, aby ich układ odpornościowy nie zaatakował przeszczepu.
Czytaj dalej: Top 10 trendów Bioinżynierii na rok 2020
„Aby móc tworzyć te struktury z własnymi komórkami pacjenta, do których naprawdę mogą się przystosować i leczyć, to jest dla nas nadzieja”, powiedział Atala. „Chcemy mieć pewność, że możemy dotrzeć do jak największej liczby pacjentów.”
Atala twierdzi, że bardziej uproszczone struktury, takie jak skóra i naczynia krwionośne, przeszły już udane badania na ludziach i będą w klinice w ciągu kilku lat. Organy stałe potrwają znacznie dłużej.
To była niezwykła podróż dla Atali, a jego postępy położyły podwaliny i podstawy wiedzy dla udanego generowania ludzkiej tkanki komórkowej.
Cassie Kelly jest inżynierem i pisarką środowiskową z siedzibą w Columbus w stanie Ohio.
Zarejestruj się dzisiaj na am Medical: 27-28 maja 2020 r. w Minneapolis, MN