Bioprinting av mänsklig vävnad med hjälp av specialiserade 3D-skrivare lovar att förändra medicinen, med konsekvenser för organtransplantationer, cancerbehandling och utveckling av antibiotika.
Luke Massella är en av cirka 10 levande personer som går runt med en ersättningsblåsa som har odlats fram av hans egna celler.
Han föddes med ett tillstånd som kallas spina bifida, vilket från födseln lämnade en lucka i ryggraden.
I 10 års ålder hade han överlevt ett dussintal operationer och överträffat läkarnas ursprungliga förväntningar om att han aldrig skulle kunna gå. Men sedan fick en felfunktion i blåsan hans njurar att svikta.
”Jag stod inför möjligheten att jag skulle behöva dialys resten av mitt liv”, säger han. ”Jag skulle inte kunna idrotta och ha ett normalt barnliv med min bror.”
En företagsam kirurg, Anthony Atala vid Boston Children’s Hospital, tog en liten bit av Lukes urinblåsa och odlade under två månader fram en ny urinblåsa i laboratoriet.
Sedan ersatte han i ett 14 timmar långt kirurgiskt ingrepp den defekta blåsan med den nya.
”Det var ungefär som att få en blåsetransplantation, men från mina egna celler, så att man slipper avstötning”, säger Luke.
Avstötning är när kroppens immunförsvar angriper transplanterade celler som kommer från en annan organism. Genom att använda vävnad som odlas från patientens egna celler kan man motverka denna effekt.
Luke fortsatte som brottningstränare i de offentliga skolorna i Connecticut och leder nu, vid 27 års ålder, evenemang inom smyckesindustrin.
”I stort sett kunde jag leva ett normalt liv efteråt”, säger han.
Han genomgick 17 operationer innan han var 13 år, men har inte behövt göra det sedan dess.
Dr Atalas arbete omfattar bioprinting, där man använder modifierade 3D-bläckstråleskrivare för att framställa biologiska vävnader.
Hans team har utvecklat ”åtta cellbaserade vävnader som vi sätter in i patienterna”, säger han, bland annat konstruerad hud, urinrör och brosk, som alla har odlats i labbet.
Dessa konstruerade organ genomgår kliniska prövningar för att kunna godkännas av USA:s livsmedels- och läkemedelsmyndighet.
”Man måste veta hur man tillverkar dessa organ för hand, sedan är bioprintern verkligen ett uppskalningsverktyg”, säger dr Atala, chef för Wake Forest Institute for Regenerative Medicine i North Carolina.
Bioprinting skulle med andra ord göra det möjligt att tillverka dessa organ på ett överkomligt, konsekvent och exakt konstruerat sätt, anser han.
”Platta strukturer som hud” är lättast att skriva ut, säger han. Sedan är ”tubulära strukturer som blodkärl och urinrör” lite mer komplicerade, och ”ihåliga icke-tubulära organ som blåsor” är ännu svårare.
Men svårast är ”solida organ som hjärtan, lungor och njurar”, med ”så många fler celler per centimeter”.
För dessa mycket komplexa organ ger bioprintern en precision som överträffar mänskliga händer, säger han.
Pluripotent potential
Bioprinting har tagit fart efter en dramatisk upptäckt av Shinya Yamanaka och Sir John Gurdon, som fick Nobelpriset för sitt arbete 2012.
Vuxna vanliga celler kan nu programmeras om till stamceller – så kallade inducerade pluripotenta stamceller – som kan användas för att skapa alla andra celler i kroppen.
”Mycket har hänt under de senaste åren”, säger Steven Morris, vd för det nystartade bioprintingföretaget Biolife4d.
Morris arbetar med att bioprinta ett hjärta med hjälp av dessa pluripotenta celler under nästa år. Detta kommer till en början att vara en mindre version av organet, förklarar han, men skulle så småningom kunna hjälpa läkemedelsföretag att slippa testa läkemedel på djur.
Och i slutändan kommer bioprinting av organ från människors egna celler att lösa den ”enorma bristen på utbud” av organ för transplantation, säger Morris, och göra sig av med behovet av immunosuppressiva läkemedel som motverkar avstötning.
Specialiserade skrivare skulle till och med kunna reproducera cancertumörer, vilket skulle ge läkarna möjlighet att testa ”vilken behandling som skulle kunna fungera specifikt för den patienten”, säger Erik Gatenholm, vd för det svenska nystartade företaget Cellink.
Hans företag har fått ett anslag på 2 euro.5 miljoner euro (2,9 miljoner dollar; 2,2 miljoner pund) i bidrag från Europeiska unionen för att utveckla dessa skrivare för tumörmodellering.
Bioprinters ger oss också ett sätt att ”snabbt lägga ut små mängder vätska för att testa om ett nytt antibiotikum skulle fungera för den specifika patienten”, säger Annette Friskopp, vice vd för specialutskriftssystem på det stora teknikföretaget HP i Palo Alto.
Detta skulle kunna bidra till att ta itu med det växande och allvarliga problemet med antimikrobiell resistens – ökningen av ”superbakterier” som traditionella antibiotika inte kan döda.
HP samarbetar med US Center for Disease Control för att installera skrivare i fyra regionala laboratorier i USA i höst.
Bläck och ställningar
Dryckare av alla slag behöver bläck, och biotryckare är inte annorlunda. ”Bioink” är en gel som kan extruderas genom ett utskriftsmunstycke och som efterliknar den suspension som ligger mellan cellerna, den så kallade extracellulära matrisen.
Både universitetslaboratorier och nystartade företag, som Cellink, har utvecklat bioinkar som kan användas med många olika typer av celler, säger Ahu Arslan Yildiz, en biokemist som leder en forskargrupp vid Izmir Institute of Technology i västra Turkiet.
Och dessa ”universella” biolackar blir alltmer ”bearbetningsbara och lätta att hantera”, säger Ahu Arslan Yildiz, samtidigt som de inte är giftiga.
Ett annat genombrott på det snabbt växande området kommer från Japan.
De flesta bioprinting använder en ställning för att hålla cellerna på plats. När cellerna väl är ”lockade till en viss nivå börjar de organisera sig själva och sätta ihop sig”, säger Arnold Kriegstein, chef för centret för stamceller och regenerationsmedicin vid Kaliforniens universitet i San Francisco.
Ställningen kan sedan avlägsnas.
Mer Technology of Business
- Är ”swipe left”-dejtingappar dåliga för vår mentala hälsa?
- Kapplöpningen om att göra världens kraftfullaste dator någonsin
- ”Min robot får mig att känna att jag inte har blivit bortglömd”
- Hur satte Coca-Cola fart på sin VM-försäljning?
- Bitcoin buster? Sökandet efter en stabilare kryptovaluta
Men Koichi Nakayama vid Saga University i södra Japan har utvecklat ett sätt att skapa 3D-vävnad utan ställningar.
Istället länsar han små sfärer på en fin rad av nålar, en så kallad kenzan.
Dr Nakayama, läkare och ordförande för universitetets avdelning för regenerativ medicin och biomedicinsk teknik, håller nu på att ”förbereda det första mänskliga försöket vid vårt universitet” för att implantera dialysrör ”som bara är gjorda av en patients egna hudceller”.
Bioprinting gör alltså enorma framsteg och lovar att ge många av oss ett nytt liv.
- Följ Technology of Business-redaktör Matthew Wall på Twitter och Facebook
- Klicka här för fler inslag i Technology of Business