Ihmiskudoksen biotulostaminen erikoistuneilla 3D-tulostimilla lupaa muuttaa lääketiedettä, mikä vaikuttaa elinsiirtoihin, syövän hoitoon ja antibioottien kehittämiseen.
Luke Massella on yksi noin kymmenestä elossa olevasta ihmisestä, joka kävelee ympäriinsä korvaavan virtsarakon kanssa, joka on kasvatettu hänen omista soluistaan.
Hänen syntyessään sairasti selkärankahalkio-nimistä sairautta, joka jätti syntymästä lähtien aukon hänen selkärankaansa.
Kymmenenvuotiaana Massella oli selvinnyt kymmenistä leikkauksista, ja hän oli päihittänyt lääkäreiden alun perin tekemät odotukset, joiden mukaan ei ikinä kävele. Mutta sitten virtsarakon toimintahäiriö sai hänen munuaisensa pettämään.
”Minulla oli edessäni mahdollisuus, että joutuisin käymään dialyysissä koko loppuelämäni”, hän sanoo. ”En pystyisi urheilemaan enkä viettämään normaalia lapsielämää veljeni kanssa.”
Bostonin lastensairaalassa työskentelevä yritteliäs kirurgi Anthony Atala otti pienen palan Luken virtsarakkoa ja kasvatti kahden kuukauden aikana uuden rakon laboratoriossa.
Silloin hän 14 tuntia kestäneessä kirurgisessa toimenpiteessä korvasi viallisen virtsarakon uudella.
”Se oli siis melko lailla kuin virtsarakonsiirto, mutta omien solujeni varassa, joten hyljintää ei tarvinnut pelätä”, Luke sanoo.
Hyljintä on sitä, kun elimistön immuunijärjestelmä hyökkää siirrettyjä soluja vastaan, jotka ovat peräisin toisesta organismista. Potilaan omista soluista kasvatetun kudoksen käyttäminen auttaa torjumaan tätä vaikutusta.
Luke jatkoi painivalmentajana Connecticutin julkisissa kouluissa, ja nyt, 27-vuotiaana, hän vetää tapahtumia koruteollisuudessa.
”Aika lailla pystyin elämään normaalia elämää sen jälkeen”, hän sanoo.
Hän kävi 17 kertaa leikkauksessa ennen kuin hän täytti 13, mutta sen jälkeen ei ole tarvinnut.
Tohtori Atalan työhön kuuluu bioprinttaus, jossa käytetään muunneltuja 3D-mustesuihkukoneita biologisen kudoksen tuottamiseen.
Hänen tiiminsä on kehittänyt ”kahdeksan solupohjaista kudosta, joita laitamme potilaisiin”, hän sanoo, mukaan lukien muokattua ihoa, virtsaputkea ja rustoa, jotka kaikki on kasvatettu laboratoriossa.
Nämä konstruoidut elimet käyvät läpi kliinisiä testejä, jotta Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto voisi hyväksyä ne.
”Nämä elimet on osattava valmistaa käsin, sitten biotulostin on todella skaalautuva työkalu”, sanoo tohtori Atala, joka on Pohjois-Carolinassa sijaitsevan Wake Forest Institute for Regenerative Medicine -instituutin johtaja.
Toisin sanoen biotulostus mahdollistaisi näiden elinten valmistamisen kohtuuhintaisesti, johdonmukaisesti ja täsmällisesti rakennettuna, hän uskoo.
”Litteäpintaiset rakenteet, kuten iho”, ovat helpoimmasta päästä tulostettavaksi”, hän sanoo. Sitten ”putkimaiset rakenteet, kuten verisuonet ja virtsaputket” ovat hieman monimutkaisempia, ja ”onttoja ei-putkimaisia elimiä, kuten virtsarakkoja” on vielä vaikeampi tulostaa.
Mutta vaikeinta ovat ”kiinteät elimet, kuten sydämet, keuhkot ja munuaiset”, joissa on ”paljon enemmän soluja senttimetriä kohti”.
Näissä erittäin monimutkaisissa elimissä bioprintterit tarjoavat tarkkuutta, joka ylittää ihmiskädet, hän sanoo.
Pluripotentti potentiaali
Biopainaminen on lähtenyt liikkeelle Shinya Yamanakan ja Sir John Gurdonin, jotka saivat Nobel-palkinnon työstään vuonna 2012, dramaattisesta löydöstä.
Aikuisten tavalliset solut voidaan nyt ohjelmoida uudelleen kantasoluiksi – joita kutsutaan indusoiduiksi pluripotentteiksi kantasoluiksi – joista voidaan valmistaa mitä tahansa muita soluja kehossa.
”Parin viime vuoden aikana on tapahtunut paljon”, sanoo Biolife4d-yrityksen toimitusjohtaja Steven Morris.
Hra Morris työskentelee bioprinttaakseen sydämen näiden pluripotenttien solujen avulla ensi vuoden aikana. Tämä on aluksi pienempi versio elimestä, hän selittää, mutta se voisi lopulta auttaa lääkeyrityksiä välttämään koelääkkeiden testaamisen eläimillä, hän sanoo.
Ja viime kädessä bioprinttaamalla elimiä ihmisten omista soluista voidaan ratkaista elinsiirtoelinten ”valtava puute”, sanoo Morris, ja päästä eroon hylkimistä estävien immunosuppressiivisten lääkkeiden tarpeesta.
Erikoistulostimet voisivat jopa jäljentää syöpäkasvaimia, mikä antaisi lääkäreille mahdollisuuden testata, ”mikä hoito voisi nimenomaan tehota kyseiseen potilaaseen”, sanoo ruotsalaisen startup-yritys Cellinkin toimitusjohtaja Erik Gatenholm.
Hänen yrityksensä on saanut 2 €:n.5 miljoonan dollarin (2,9 miljoonan dollarin; 2,2 miljoonan punnan) apurahan Euroopan unionilta näiden kasvaimia mallintavien tulostimien kehittämiseen.
Biotulostimet antavat meille myös keinon ”laskea nopeasti pieniä määriä nestettä testataksemme, tehoaisiko uusi antibiootti juuri kyseiseen potilaaseen”, sanoo Palo Altossa sijaitsevan suuren teknologiayhtiön HP:n erikoistulostusjärjestelmistä vastaava varajohtaja Annette Friskopp.
Tämä voisi auttaa puuttumaan kasvavaan ja vakavaan mikrobilääkeresistenssin ongelmaan – ”superbakteerien” lisääntymiseen, joita perinteiset antibiootit eivät pysty tappamaan.
HP tekee yhteistyötä Yhdysvaltain tautienvalvontakeskuksen kanssa ottaakseen tulostimet käyttöön neljässä alueellisessa laboratoriossa Yhdysvalloissa tänä syksynä.
Musteita ja telineitä
Minkälaiset tulostimet tahansa vaativat mustetta, eivätkä biotulostimet ole erilaisia. ”Biomuste” on geeli, joka voidaan pursottaa tulostussuuttimen läpi ja joka jäljittelee solujen välissä olevaa suspensiota, jota kutsutaan solunulkoiseksi matriisiksi.
Sekä yliopistolaboratoriot että start-up-yritykset, kuten Cellink, ovat kehittäneet biomusteita, joita voidaan käyttää monien solutyyppien kanssa, sanoo Ahu Arslan Yildiz, biokemisti, joka vetää tutkimusryhmää läntisessä Turkissa sijaitsevassa Izmirin teknillisessä instituutissa.
Ja nämä ”universaalit” bioinkit kasvavat yhä enemmän ”prosessoitaviksi ja helpoiksi käsiteltäviksi”, sanoo Ahu Arslan Yildiz, vaikka ne eivät olekaan toksisia.
Toinen läpimurto nopeasti kehittyvällä alalla tulee Japanista.
Viimeisin bioprinttaus käyttää telineitä pitämään soluja paikallaan. Kun solut on saatu ”houkuteltua tietylle tasolle, ne alkavat järjestäytyä ja koota itse itseään”, sanoo Arnold Kriegstein, Kalifornian yliopiston San Franciscossa sijaitsevan kantasolujen ja regeneratiivisen lääketieteen keskuksen johtaja.
Teline voidaan sitten poistaa.
Lisää Teknologiaa liike-elämästä
- Ovatko ”pyyhkäise vasemmalle” -deittisovellukset pahaksi mielenterveydellemme?
- Kilpailu maailman kaikkien aikojen tehokkaimmasta tietokoneesta
- ”Robottini saa minut tuntemaan, ettei minua ole unohdettu”
- Miten Coca-Cola laittoi vauhtia MM-myyntiin?
- Bitcoin buster? Vakaampaa kryptovaluuttaa etsimässä
Mutta Etelä-Japanissa sijaitsevassa Sagan yliopistossa työskentelevä Koichi Nakayama on kehittänyt tapaa, jolla 3D-kudosta voidaan valmistaa ilman telineitä.
Sen sijaan hän lanssaa pieniä palloja ohuella neulasarjalla, jota kutsutaan nimellä kenzan.
Tohtori Nakayama, joka on lääkäri ja yliopiston regeneratiivisen lääketieteen ja biolääketieteellisen tekniikan osaston puheenjohtaja, valmistelee nyt ”ensimmäistä ihmiskokeilua yliopistossamme”, jossa istutetaan dialyysiputkia, ”jotka on tehty vain potilaan omista ihosoluista”.
Bioprinting on siis ottamassa valtavia harppauksia ja lupaa antaa monille meistä uuden elämän.
- Seuraa Technology of Businessin päätoimittajaa Matthew Wallia Twitterissä ja Facebookissa
- Klikkaa tästä lisää Technology of Businessin juttuja