med hjälp av 3D-utskrift och elektrospinning växer ett team av bioingenjörer vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ledt av Anthony Atala livskraftig vävnad och organ för patienter. Medan många av dessa 3D-tryckta organ förblir i forskningsstadiet, bör vissa vara redo för klinisk testning inom ett år eller två.
i mer än 25 år har Atala arbetat med att generera vävnadsceller i laboratoriet. Från fingrar och öron till njurar och hjärtan kan hans team nu skapa 40 olika organ-och vävnadsstrukturer.

vad är elektrospinning?

dessa procedurer börjar med att ta ett litet urval av patientens celler från området bioingenjörer försöker återskapa. Till exempel, för hud behöver de bara ett transplantat ungefär lika stort som ett frimärke. Sedan, inom en bioreaktor, replikerar de dessa celler tills det finns tillräckligt för att växa organet.

3D bioprinters deponerar olika typer av celler hur en färg 3D-skrivare deponerar olika typer av polymer. Foto: Wake Forest

nästa steg är att bygga den extracellulära matrisen eller ställningen, på vilken cellerna bildas. Teamet fröer sedan matrisen med tillväxtpromotorer och biokemikalier som uppmanar cellerna att utvecklas på specifika sätt. Matrisen ger också mekaniska krafter som formar cellutveckling.
för att göra strukturer, som hud eller blodkärl, använder labbet elektrospinning, en 3D-tryckteknik som liknar maskinerna som används för att snurra socker till bomullsgodis.
Bioingenjörer använder denna teknik för att snurra en hydrogelpolymer vid höga hastigheter, vilket tvingar polymeren att förlängas till långa fibersträngar. De placerar sedan en tunn stång i mitten av maskinen. Hydrogelfibrerna fäster vid stången precis som fluffigt bomullsgodis fäster vid en papperskon. Forskare manipulerar formen på den svampiga polymeren genom att variera spänningen tills de har efterliknat strukturen de skapar.
Vidare läsning: 3D-utskrift levande hud med blodkärl
när forskare uppnår önskad form sprutar de celler från bioreaktorn på matrisen och lägger den upprepade gånger för att matcha naturliga strukturer. För att återskapa huden skulle de till exempel börja med att applicera celler från det subkutana skiktet och sedan de från dermis och epidermis.
en gång lagrad på matrisen placeras strukturen i en inkubator som efterliknar människokroppens förhållanden. Där börjar denna kombination av matris, biokemikalier och celler ta ett eget liv med hjälp av matrisen som en guide.även om denna teknik är perfekt för enkla och lätta strukturer, som hud och blodkärl, saknar den precision och förmåga att skapa solida tredimensionella strukturer som ett hjärta.

Hur man skriver ut fasta organ?

för att skapa ett fast organ behöver forskare ett sätt att främja tillväxten av blodkärl så att varje cell i organet får syre och näringsämnen och det kan eliminera avfall. Att skapa dessa blodkärlsträd, som förgrenar sig från stora artärer till de minsta kärlen, har stumpat forskare i årtionden. Ändå har Atala team utvecklat ett par potentiella lösningar.

en av de flera 3D-skrivare som är utformade för att skriva ut celler. Foto: Wake Forest

den första lösningen börjar med ett befintligt givarorgan, såsom en lever. Först, Wake Forest bioengineers placera den i en skakare, ungefär som en tvättmaskin, med milda tvättmedel i ungefär två veckor.”efter att ha gått igenom skakan kunde du hålla orgeln och det skulle se ut och kännas som orgeln, men det skulle inte ha några celler,” sa Atala. ”I huvudsak hade vi bevarat organets skelett.”
detta skelett är tillverkat av kollagen, ett protein som finns i kroppens bindväv och dess extracellulära matriser. Liksom elektrospunmatrisen ger kollagenmatrisen strukturen och mekaniska krafter som cellerna behöver dela och ta på sig organrelaterade funktioner. Organskelettet deponeras sedan med patientens leverceller, som återbefolkar organet, vilket ger det tillbaka till livet med många av funktionerna hos en mänsklig lever.
även om denna metod är lovande betyder det fortfarande att vänta på ett givarorgan att arbeta med. 3D-utskrift kan erbjuda en väg runt det. Denna metod tar mycket mer förståelse för själva organet, men lovar att befria patienter från att vänta på ett givarorgan.
Vidare läsning: 3D Bioprinter skriver frisk hud på patienter på några minuter
”det händer så mycket i ett organ som hjärtat att vi inte kan se om vi inte börjar från början”, sa Atala. ”Vi tittar på strukturen från ett 360-graders perspektiv för att se till att vi kan replikera organets funktionalitet på alla möjliga sätt, annars kommer det inte att överleva.”
ett sätt att göra det är att fortsätta bygga organ och lära av byggnaderna. För detta ändamål har Atala och hans team konstruerat över ett dussin skrivare för att utföra de komplexa processerna för att bygga ett fast organ. Skrivarna fungerar som färgbläckstråleskrivare, men istället för bläck innehåller deras patroner celler segregerade efter typ.
för att starta är bioprintern laddad med patient-och organinformation, en ritning av vad man ska bygga. Genom ett munstyckssystem avsätter skrivaren lager av celler som en tjock gel. Detta genererar långsamt organstrukturen samtidigt som man bevarar livet för cellerna inbäddade i den.
medan teamet fortfarande behärskar denna topografiska form av teknik, ger 3D-utskrift forskare en chans att utarbeta detaljerna. Genom försök och fel har de framgångsrikt programmerat skrivarna för att deponera även de minsta blodkärlen i ett komplext organ.

är 3D Bioprinting framtiden för organtransplantation?

oavsett vilken av dessa tekniker laget använder, tar det ungefär fyra till sex veckor att bygga en hälsosam ersättning för en patient. Eftersom ersättningsvävnaden eller organet är tillverkat av patientens egna celler finns det praktiskt taget ingen sannolikhet för avstötning—vilket innebär att patienter läker snabbare än någonsin tidigare och behöver inte ta droger för att hålla immunsystemet från att attackera transplantationen.
Vidare läsning: topp 10 Bioengineeringstrender för 2020
”för att kunna skapa dessa strukturer med patientens egna celler där de verkligen kan anpassa sig och läka, är det hoppet för oss,” sa Atala. ”Vi vill se till att vi kan nå så många patienter vi kan.”
Atala säger att de mer förenklade strukturerna som hud och blodkärl redan har haft framgångsrika mänskliga försök och kommer att vara på kliniken inom ett par år. Fasta organ tar mycket längre tid.
det har varit en anmärkningsvärd resa för Atala och hans framsteg har lagt grunden och kunskapsbasen för framgångsrik mänsklig cellvävnadsgenerering.
Cassie Kelly är en teknik-och miljöförfattare baserad i Columbus, Ohio.
registrera dig idag för AM Medical: 27-28 maj 2020 i Minneapolis, MN