Bioprinting tkanki ludzkiej przy użyciu specjalistycznych drukarek 3D obiecuje przekształcenie medycyny, z implikacjami dla przeszczepów organów, leczenia raka i rozwoju antybiotyków.
Luke Massella jest jedną z około 10 żyjących osób chodzących z zastępczym pęcherzem moczowym, który został wyhodowany z jego własnych komórek.
Urodził się z chorobą zwaną rozszczepem kręgosłupa, która od urodzenia pozostawiała lukę w jego kręgosłupie.
Do 10 roku życia przeżył tuzin operacji i pokonał początkowe oczekiwania lekarzy, że nigdy nie będzie chodził. Ale wtedy wadliwie działający pęcherz sprawił, że jego nerki przestały funkcjonować.
„Stanąłem w obliczu możliwości, że będę musiał być dializowany do końca życia”, mówi. „Nie mógłbym uprawiać sportu i prowadzić normalnego dziecięcego życia z moim bratem.”
Przedsiębiorczy chirurg, Anthony Atala ze Szpitala Dziecięcego w Bostonie, pobrał mały fragment pęcherza Luke’a i w ciągu dwóch miesięcy wyhodował w laboratorium nowy.
Następnie w trakcie 14-godzinnego zabiegu chirurgicznego zastąpił wadliwy pęcherz nowym.
„Więc to było całkiem jak przeszczep pęcherza moczowego, ale z moich własnych komórek, więc nie musisz sobie radzić z odrzuceniem”, mówi Luke.
Odrzucenie ma miejsce, gdy układ odpornościowy organizmu atakuje przeszczepione komórki, które pochodzą z innego organizmu. Wykorzystanie tkanki wyhodowanej z własnych komórek pacjenta pomaga zwalczyć ten efekt.
Luke został trenerem zapasów w szkołach publicznych w Connecticut, a teraz, w wieku 27 lat, prowadzi imprezy w branży jubilerskiej.
„W zasadzie mogłem potem prowadzić normalne życie”, mówi.
Przed ukończeniem 13 roku życia przeszedł 17 operacji, ale od tamtej pory nie musiał ich przechodzić.
Praca dr Atali obejmuje bioprinting, czyli wykorzystanie zmodyfikowanych maszyn do drukowania atramentowego 3D do produkcji tkanki biologicznej.
Jego zespół opracował „osiem tkanek opartych na komórkach, które umieszczamy u pacjentów”, jak mówi, w tym wyhodowaną w laboratorium skórę, cewkę moczową i chrząstkę.
These engineered organs are going through clinical tests for approval by the US Food and Drug Administration.
„Trzeba wiedzieć, jak wykonać te narządy ręcznie, wtedy bioprinter jest naprawdę narzędziem do zwiększenia skali”, mówi dr Atala, dyrektor Wake Forest Institute for Regenerative Medicine w Północnej Karolinie.
Innymi słowy, bioprinting umożliwiłby wykonanie tych narządów w przystępny, spójny i precyzyjnie skonstruowany sposób, jak uważa.
„Płaskie struktury, takie jak skóra” są najłatwiejsze do wydrukowania, mówi. Następnie „struktury rurowe, takie jak naczynia krwionośne i cewki moczowe” są nieco bardziej złożone, z „pustymi organami nie-rurowymi, takimi jak pęcherze moczowe” jeszcze trudniejsze.
Ale najtrudniejsze są „organy stałe, takie jak serca, płuca i nerki”, z „większą ilością komórek na centymetr”.
Dla tych wysoce złożonych organów bioprinterzy zapewniają precyzję, która przewyższa ludzkie ręce, mówi.
Pluripotencjalny potencjał
Bioprinting wystartował po dramatycznym odkryciu Shinya Yamanaka i Sir Johna Gurdona, którzy otrzymali Nagrodę Nobla za swoją pracę w 2012 roku.
Dorosłe zwykłe komórki można teraz przeprogramować, aby stworzyć komórki macierzyste – zwane indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi – które można wykorzystać do stworzenia każdej innej komórki w organizmie.
„W ciągu ostatnich kilku lat wiele się wydarzyło”, mówi Steven Morris, dyrektor naczelny start-upu Biolife4d.
Pan Morris pracuje nad bioprintem serca przy użyciu tych pluripotencjalnych komórek w ciągu najbliższego roku. Początkowo będzie to mniejsza wersja narządu, wyjaśnia, ale ostatecznie może pomóc firmom farmaceutycznym ominąć testowanie leków na zwierzętach, mówi.
A ostatecznie, bioprinting narządów z własnych komórek ludzi rozwiąże „ogromny brak dostaw” w narządach do przeszczepu, mówi pan Morris, i odejdzie od potrzeby leków immunosupresyjnych zapobiegających odrzuceniu.
Specjalistyczne drukarki mogłyby nawet odtwarzać guzy nowotworowe, dając lekarzom szansę na przetestowanie, „które leczenie mogłoby konkretnie zadziałać u danego pacjenta”, mówi Erik Gatenholm, dyrektor naczelny szwedzkiego start-upu Cellink.
His firm has been given a €2.5 mln euro (2,9 mln dolarów; 2,2 mln funtów) dotacji z Unii Europejskiej na rozwój drukarek modelujących guzy.
Bioprinterzy dają nam również możliwość „szybkiego nakładania małych ilości płynów w celu sprawdzenia, czy nowy antybiotyk zadziała w przypadku tego konkretnego pacjenta”, mówi Annette Friskopp, wiceprezes ds. specjalistycznych systemów druku w dużej firmie technologicznej HP w Palo Alto.
Mogłoby to pomóc w rozwiązaniu rosnącego i poważnego problemu oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe – wzrostu liczby „superbakterii”, których tradycyjne antybiotyki nie są w stanie zabić.
HP współpracuje z amerykańskim Centrum Kontroli Chorób, aby tej jesieni wdrożyć drukarki w czterech regionalnych laboratoriach w USA.
Tusze i rusztowania
Drukarki każdego rodzaju potrzebują tuszu, a bioprinterzy nie są inne. „Bioink” to żel, który może być wytłaczany przez dyszę drukującą i naśladuje zawiesinę leżącą między komórkami, zwaną macierzą zewnątrzkomórkową.
Zarówno laboratoria uniwersyteckie, jak i firmy rozpoczynające działalność, takie jak Cellink, opracowują bioink, który może być używany z wieloma rodzajami komórek, mówi Ahu Arslan Yildiz, biochemik, który kieruje grupą badawczą w Izmir Institute of Technology w zachodniej Turcji.
A te „uniwersalne” bioinniki stają się coraz bardziej „przetwarzalne i łatwe w obróbce”, mówi pani Yildiz, a jednocześnie nie są toksyczne.
Kolejny przełom w tej szybko rozwijającej się dziedzinie pochodzi z Japonii.
Większość metod bioprintingu wykorzystuje rusztowanie, aby utrzymać komórki w miejscu. Kiedy komórki zostaną „doprowadzone do pewnego poziomu, zaczynają się samoorganizować i składać”, mówi Arnold Kriegstein, dyrektor centrum komórek macierzystych i medycyny regeneracyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco.
Rusztowanie może być następnie usunięte.
Więcej Technologii Biznesu
- Czy aplikacje randkowe typu „swipe left” są złe dla naszego zdrowia psychicznego?
- Wyścig o stworzenie najpotężniejszego komputera na świecie
- „Mój robot daje mi poczucie, że o mnie nie zapomniano”
- Jak Coca-Cola zwiększyła sprzedaż biletów na Mistrzostwa Świata w piłce nożnej?
- Bitcoin buster? The search for a more stable cryptocurrency
Ale Koichi Nakayama, na Uniwersytecie Saga w południowej Japonii, opracowuje sposób tworzenia tkanki 3D bez rusztowań.
W zamian za to lansuje małe kule na drobnym układzie igieł, zwanym kenzanem.
Dr Nakayama, lekarz i przewodniczący uniwersyteckiego wydziału Medycyny Regeneracyjnej i Inżynierii Biomedycznej, obecnie „przygotowuje pierwszą próbę na ludziach na naszym uniwersytecie”, aby wszczepić rurki dializacyjne „wykonane z własnych komórek skóry pacjenta”.
Więc bioprinting robi ogromne postępy i obiecuje dać wielu z nas nową lekcję życia.
- Śledź Technology of Business redaktor Matthew Wall na Twitterze i Facebooku
- Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej Technology of Business funkcji
.