cu ajutorul imprimării 3D și electrospinning, o echipă de bioingineri de la Wake Forest Institute for Regenerative Medicine condusă de Anthony Atala crește țesuturi și organe viabile pentru pacienți. În timp ce multe dintre aceste organe tipărite 3D rămân în stadiul de cercetare, unele ar trebui să fie pregătite pentru testarea clinică într-un an sau doi.de mai bine de 25 de ani, Atala lucrează la generarea de celule tisulare în laborator. De la degete și urechi la rinichi și inimi, echipa sa poate crea acum 40 de structuri diferite de organe și țesuturi.

Ce este Electrospinning?

aceste proceduri încep prin a lua un mic eșantion de celule ale pacientului din zona pe care bioinginerii încearcă să o recreeze. De exemplu, pentru piele, au nevoie doar de o grefă la fel de mare ca o ștampilă poștală. Apoi, într-un bioreactor, ele reproduc acele celule până când există suficient pentru a crește organul.

bioprinterele 3D depozitează diferite tipuri de celule, așa cum o imprimantă 3D Color depune diferite tipuri de polimeri. Fotografie: Wake Forest

următorul pas este de a construi matricea extracelulară sau schela, pe care se formează celulele. Echipa apoi semințe matricea cu promotori de creștere și biochimice care determină celulele să se dezvolte în moduri specifice. Matricea oferă, de asemenea, forțe mecanice care modelează dezvoltarea celulelor.pentru a face structuri, cum ar fi pielea sau vasele de sânge, Laboratorul folosește electrospinning, o tehnică de imprimare 3D care seamănă cu mașinile folosite pentru a roti zahărul în vată de zahăr.Bioinginerii folosesc această tehnică pentru a roti un polimer hidrogel la viteze mari, forțând polimerul să se alungească în fire lungi de fibre. Apoi plasează o tijă subțire în centrul mașinii. Fibrele hidrogel aderă la tijă la fel cum bomboanele pufoase de bumbac se atașează de un con de hârtie. Oamenii de știință manipulează forma polimerului spongios prin variația tensiunii până când au imitat structura pe care o creează.
lecturi suplimentare: Imprimarea 3D a pielii vii cu vasele de sânge
odată ce cercetătorii ating forma dorită, ei pulverizează celulele din bioreactor pe matrice, stratificând-o în mod repetat pentru a se potrivi cu structurile naturale. Pentru a recrea pielea, de exemplu, ar începe prin aplicarea celulelor din stratul subcutanat și apoi a celor din dermă și epidermă.
odată stratificat pe matrice, structura este plasată într-un incubator care imită condițiile corpului uman. Acolo, această combinație de matrice, biochimice și celule începe să ia o viață proprie, folosind matricea ca ghid.deși această tehnică este perfectă pentru structuri simple și ușoare, cum ar fi pielea și vasele de sânge, îi lipsește precizia și capacitatea de a crea structuri tridimensionale solide ca o inimă.

Cum de a imprima organe solide?

pentru a crea un organ solid, cercetătorii au nevoie de o modalitate de a promova creșterea vaselor de sânge, astfel încât fiecare celulă din organ să primească oxigenul și nutrienții și să poată elimina deșeurile. Crearea acestor arbori de vase de sânge, care se ramifică din arterele mari în cele mai mici vase, a lovit cercetătorii de zeci de ani. Cu toate acestea, echipa Atala a dezvoltat câteva soluții potențiale.

una dintre mai multe imprimante 3D concepute pentru a imprima celule. Foto: Wake Forest

prima soluție începe cu un organ donator existent, cum ar fi un ficat. În primul rând, Bioinginerii Wake Forest îl plasează într-un agitator, la fel ca o mașină de spălat, cu detergenți ușori timp de aproximativ două săptămâni.”după ce ai trecut prin agitator, ai putea ține organul și ar arăta și s-ar simți ca organul, dar nu ar avea celule”, a spus Atala. „În esență, am păstrat scheletul organului.”
acest schelet este format din colagen, o proteină care se găsește în țesutul conjunctiv al organismului și în matricile sale extracelulare. La fel ca matricea electrospun, matricea de colagen asigură structura și forțele mecanice de care celulele au nevoie pentru a se diviza și a prelua funcții legate de organe. Scheletul organului este apoi depus cu celulele hepatice ale pacientului, care repopulează organul, readucându-l la viață cu multe dintre funcțiile unui ficat uman.
deși această metodă este promițătoare, înseamnă totuși așteptarea unui organ donator cu care să lucreze. Imprimarea 3D poate oferi o modalitate de a evita acest lucru. Această metodă necesită mult mai multă înțelegere a organului în sine, dar promite să elibereze pacienții de așteptarea unui organ donator.
lecturi suplimentare: Bioprinter 3d imprimă pielea sănătoasă pe pacienți în câteva minute
„Se întâmplă atât de multe într-un organ precum inima, încât nu putem vedea decât dacă începem de la zero”, a spus Atala. „Privim structura dintr-o perspectivă de 360 de grade pentru a ne asigura că putem reproduce funcționalitatea organului în orice mod posibil sau nu va supraviețui.”
o modalitate de a face acest lucru este să continuăm să construim organe și să învățăm din construcții. În acest scop, Atala și echipa sa au proiectat peste o duzină de imprimante pentru a efectua procesele complexe de construire a unui organ solid. Imprimantele funcționează ca imprimantele cu jet de cerneală color, dar în loc de cerneală, cartușele lor conțin celule segregate după tip.
pentru început, bioprinterul este încărcat cu informații despre pacient și organe, un plan al a ceea ce trebuie construit. Printr-un sistem de duze, imprimanta depune straturi de celule sub formă de gel gros. Aceasta generează încet structura organelor, păstrând în același timp viața celulelor încorporate în ea.
în timp ce echipa încă stăpânește această formă topografică de inginerie, imprimarea 3D oferă cercetătorilor șansa de a elabora detaliile. Prin încercări și erori, au programat cu succes imprimantele pentru a depozita chiar și cele mai mici vase de sânge într-un organ complex.

Bioprintarea 3D este viitorul transplantului de organe?

indiferent care dintre aceste tehnici utilizează echipa, este nevoie de aproximativ patru până la șase săptămâni pentru a construi un înlocuitor sănătos pentru un pacient. Deoarece țesutul sau organul de înlocuire este format din celulele proprii ale pacientului, practic nu există nicio probabilitate de respingere—ceea ce înseamnă că pacienții se vindecă mai repede decât oricând și nu trebuie să ia medicamente pentru a-și împiedica sistemul imunitar să atace transplantul.
lecturi suplimentare: Top 10 Tendințe de Bioinginerie pentru 2020
„pentru a putea crea aceste structuri cu propriile celule ale pacientului acolo unde se pot adapta și vindeca cu adevărat, aceasta este speranța pentru noi”, a spus Atala. „Vrem să ne asigurăm că putem ajunge la cât mai mulți pacienți.”Atala spune că structurile mai simplificate, cum ar fi pielea și vasele de sânge, au avut deja studii umane de succes și vor fi în clinică în câțiva ani. Organele solide vor dura mult mai mult.a fost o călătorie remarcabilă pentru Atala și progresele sale au pus bazele și baza de cunoștințe pentru generarea de succes a țesuturilor celulare umane.Cassie Kelly este o scriitoare de inginerie și mediu cu sediul în Columbus, Ohio.
înregistrați-vă astăzi pentru am Medical: 27-28 mai 2020 în Minneapolis, MN