Pomimo tysięcy przeszczepów organów , które mają miejsce na całym świecie, po prostu nie jesteśmy jako ludzkość w stanie sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu na donację organów. Niestety, żywi i zmarli dawcy są dziś jedynym realnym źródłem tych ratujących życie organów, ponieważ nie możemy ich po prostu wyprodukować w fabryce organów. Jeszcze.
Medycyna regeneracyjna to interdyscyplinarna gałąź medycyny, która opracowuje metody wspomagające odrost organów i tkanek poprzez naprawę lub nawet wymianę uszkodzonych lub zranionych komórek. Wykorzystuje szeroki zakres technik, w tym leczenie komórkami macierzystymi i inżynierię tkankową, w której to dziedzinie druk 3D jest szeroko badany.
W tym artykule omówimy najnowsze i najbardziej ekscytujące osiągnięcia w zakresie drukowanych w 3D organów i części ciała, uporządkowane według typu. Ale zanim przejdziemy do konkretów, ustalmy, czym naprawdę jest biodrukowanie 3D i jak można je stosować do produkcji tkanek i organów.
Wszystko o biodrukowaniu
Krótko mówiąc, biodrukowanie 3D to w zasadzie zastosowanie technik wytwarzania addytywnego w celu tworzenia trójwymiarowych struktur dla inżynierii tkankowej. Nie trzeba dodawać, że obejmuje wiele procesów o wysokim stopniu złożoności, od projektowania struktur organicznych po post-stymulację materiału, znaną jako dojrzewanie.
Chociaż istnieją różne metody biodrukowania, prawdopodobnie najpowszechniejszą jest proces podobny do FDM , w którym lepki materiał jest wytłaczany i osadzany warstwa po warstwie. Materiał ten jest znany jako biożel , składający się głównie z komórek i środków nośnych, który często jest żelem biopolimerowym działającym jako rusztowanie 3D.
Rozwój biotuszu to osobna dziedzina badań, która ściśle współpracuje z badaczami medycznymi i twórcami biodrukarek . Podczas gdy biodrukowanie jest jeszcze w powijakach, do tej pory osiągnięto wiele ekscytujących przełomów, jak zobaczymy w tym artykule.
Teraz, bez zbędnych ceregieli, omówmy niektóre z najbardziej obiecujących projektów organów drukowanych w technologii 3D.
Nerka
Ze wszystkich potencjalnych organów do produkcji 3D nerka jest prawdopodobnie jedną z najtrudniejszych do odtworzenia, głównie ze względu na ogromną złożoność związaną z jej wewnętrzną strukturą. Jednak nerki są najbardziej potrzebnymi organami do przeszczepów , więc są najbardziej odpowiednim kandydatem do seryjnej produkcji organów.
W tym celu w 2016 r. naukowcy z Lewis Lab na Uniwersytecie Harvarda opracowali nowatorską metodę biodrukowania , która umożliwiła tworzenie małych segmentów nefronu, zwanych kanalikami proksymalnymi. Nefrony są najbardziej podstawową strukturą nerki i odpowiadają za filtrowanie krwi w tych narządach.
Przechodząc do 2019 r., amerykańska firma biodrukująca Organovo ogłosiła udaną zautomatyzowaną produkcję organoidów nerek za pośrednictwem własnej platformy biodrukującej, Organovo NovoGen . Są to samoorganizujące się struktury oparte na komórkach macierzystych, które można produkować w dużych ilościach stosunkowo szybko.
Niedawno, we wrześniu 2020 r., United Therapeutics Corporation nawiązała współpracę z izraelską firmą CollPlant Biotechnologies, zajmującą się medycyną regeneracyjną , w celu zastosowania jej technologii materiałowej ( rhCollagen ) w rozwoju biodruku nerek.
Wątroba
Ponad 4,5 miliona ludzi w USA cierpi na jakąś chorobę wątroby. To prawie 2% całej populacji, a na dzień dzisiejszy jedynym możliwym leczeniem schyłkowej choroby wątroby jest przeszczep. Nie trzeba dodawać, że luka między zapotrzebowaniem na narządy a ich dostępnością stale się powiększa.
W 2016 roku badacze z University of California w San Diego byli w stanie wydrukować w technologii 3D tkankę organiczną, która imitowała prawdziwe struktury wątroby zarówno pod względem architektury, jak i funkcji. W tamtym czasie takie bioinżynieryjne tkanki były wykorzystywane przez przemysł farmaceutyczny do opracowywania i testowania leków.
Organovo (wspomniane powyżej z ich postępami w dziedzinie nerek) było również w stanie wykonać biodruk 3D fragmentów tkanki wątroby, a w 2018 r. posunęło się dalej, wszczepiając je żywym myszom . Wyniki były bardzo pozytywne, a zatrzymanie tkanki i funkcjonalność zostały potwierdzone miesiąc po wszczepieniu. W tym czasie częściowe przeszczepy wątroby były przeznaczone do badań na ludziach w 2020 r., ale jeszcze do tego nie doszło.
Brazylijscy naukowcy z University of São Paulo poinformowali o udanym bioprintingu „miniaturowych wątrób” pod koniec 2019 r. Te struktury organoidowe pochodziły z ludzkich komórek krwi i wykonywały normalne funkcje wątroby, takie jak produkcja białek, magazynowanie witamin, a nawet wydzielanie żółci. Według naukowców cały proces trwał około 90 dni od pobrania krwi pacjenta do ostatecznego dojrzewania mini-wątrób.
Serce
Zdecydowanie najbardziej obiecujące projekty organów biodrukowanych w 3D dotyczą serca. Jeśli chodzi o organy, serce jest jednym z najłatwiejszych do odtworzenia, ponieważ nie wykorzystuje żadnych złożonych reakcji biochemicznych. Zamiast tego jego główną funkcją jest działanie jako pompa hydrauliczna.
Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) to amerykański instytut badawczy skupiający się na inżynierii tkankowej do różnych zastosowań, w tym transplantacji. W 2018 r. grupa badawcza WFRIM twierdziła, że dokonała biodruku 3D funkcjonalnej tkanki serca przy użyciu komórek myszy.
W 2019 roku naukowcy z Wydziału Biologii Molekularnej Komórki i Biotechnologii Uniwersytetu w Tel Awiwie wstrząsnęli światem pierwszym w pełni unaczynionym, drukowanym w 3D miniaturowym ludzkim sercem . Ten biodrukowany organ został wykonany z ludzkich komórek pobranych od pacjenta i żeli nośnikowych. Zespół TAU pracuje teraz nad dojrzewaniem komórek serca i uczynieniem ich w pełni funkcjonalnymi.
Firma Biolife4D z siedzibą w Chicago również dokonała podobnego przełomu w 2019 r., ogłaszając własne biodrukowane serce . To jednak wykazuje rozszerzoną funkcjonalność w porównaniu do serca opracowanego na Uniwersytecie w Tel Awiwie i jest również znacznie większe.
Biorąc pod uwagę tak wiele przełomowych osiągnięć w ciągu ostatnich kilku lat, specjaliści przewidują, że gotowe do przeszczepu biodrukowane serce może być dostępne w ciągu dekady.
Rogówka
Rogówka to przezroczysta, najbardziej zewnętrzna warstwa oka. Jest niezbędna do skupienia wzroku i ochrony oka przed środowiskiem. Miliony ludzi na całym świecie cierpią na ślepotę rogówkową z powodu choroby lub blizn, często wymagającą przeszczepu rogówki.
W 2018 roku naukowcy z Newcastle University po raz pierwszy mogli wydrukować w technologii 3D ludzką rogówkę . Łącząc komórki macierzyste z alginianem i kolagenem, stworzono unikalny bioatrament, który można było wytłaczać w okręgi, aby nadać kształt rogówki w mniej niż 10 minut.
Podczas gdy projekt Uniwersytetu w Newcastle był projektem typu proof-of-concept, zespół badawczy z Uniwersytetu Marmara w Turcji faktycznie stworzył potencjalnie nadający się do przeszczepu. Artykuł zatytułowany 3D Printed Artificial Cornea for Corneal Stromal Transplantation został opublikowany w czerwcu 2020 r. i jest bardzo obiecujący.
Proces drukowania opiera się na aluminiowej formie, w której materiał na bazie PVA jest osadzany przez biodrukarkę 3D typu FDM. Materiał bioatramentowy wykazał dużą biokompatybilność w testach wstępnych, a wydajność optyczną rogówek zweryfikowano za pomocą specjalnej mikroskopii elektronowej i spektrofotometrii UV.
Kości
Kości są głównymi elementami strukturalnymi ludzkiego ciała, a ludzie mogą złamać lub nawet całkowicie stracić kość z powodu wypadków lub chorób. W takich przypadkach implanty kostne są optymalnym rozwiązaniem w porównaniu do sztucznych ortez, ale niestety dzielą problem niedoboru większości organów wymaganych do przeszczepu.
Dziedzina ortez drukowanych w technologii 3D jest bardzo szeroka i jest prawdopodobnie jedną z najpopularniejszych „realnych” aplikacji drukowania metalu w technologii 3D . W 2018 r. wyprodukowano ponad 100 000 implantów panewek biodrowych , a także wszczepiono je prawdziwym pacjentom. Tak zwana panewka Delta-TT jest produkowana ze stopów tytanu metodą topienia wiązką elektronów (EBM) , czyli metodą wytwarzania addytywnego.
W przypadku biodrukowania kości sprawy mają się jednak nieco wolniej. Podczas gdy tradycyjne techniki biodrukowania wykorzystują ludzkie komórki jako surowiec, biodrukowanie kości zazwyczaj obejmuje tworzenie struktur rusztowań, na których ciało ostatecznie zbuduje kość. To właśnie zrobili naukowcy z University of East Anglia w Wielkiej Brytanii we współpracy z Animal Health Trust w 2019 r. Jednak w przypadku tego projektu rusztowań przedmiotem badania były żywe konie.
W tym roku naukowcy z Wydziału Inżynierii Biomechanicznej na Uniwersytecie Technologicznym w Delft w Holandii pokazali cenne odkrycia w zakresie drukowania rusztowań 3D z biodegradowalnego czystego magnezu. Materiał ten jest optymalny do rusztowań kostnych, ponieważ ma podobne właściwości mechaniczne do naturalnej kości, a także stymuluje jej formowanie.
Skóra
Skóra, największy organ w ciele człowieka, jest również celem bioprintingu, ponieważ jest podatna na wiele urazów. Leczenie poważnych urazów skóry, takich jak oparzenia lub zatrucia, polega, ponownie, na przeszczepianiu. W tym przypadku jednak pacjent jest swoim własnym dawcą, przeszczepiającym zdrową skórę z innych części ciała.
Niestety, ta technika jest możliwa tylko w przypadku stosunkowo niewielkich uszkodzonych obszarów, dlatego bioprinting skóry jest szeroko rozwijany i wzbudza duże zainteresowanie. Pomysł polega na wytwarzaniu plastrów skóry z własnych komórek pacjenta, zapewniając w ten sposób źródło przeszczepów w 100% zgodnych z biorcą.
W 2019 roku badacze z Rensselaer Polytechnic Institute w Nowym Jorku byli w stanie wydrukować w technologii 3D „żywe” łaty skóry z naczyniami krwionośnymi. Jest to kluczowy kamień milowy, ponieważ każda dotychczasowa biodrukowana skóra nie miała funkcji naczyniowej. Następnym krokiem jest opracowanie sposobu na zintegrowanie, na poziomie mikroskopowym, naczyń krwionośnych z łaty do skóry pacjenta.
Na innym froncie australijski start-up Inventia Life Science pracuje nad urządzeniem, które potencjalnie mogłoby drukować skórę w technologii 3D bezpośrednio na ranie pacjenta. Komórki skóry byłyby osadzane jako maleńkie kropelki, wykorzystując tę samą zasadę, co drukowanie atramentowe. Inventia jest dobrze znanym graczem w branży biotechnologicznej i niedawno otrzymała ogromną inwestycję w swój projekt drukowania skóry w technologii 3D w 2020 r.
Jajniki
Jajniki są istotną częścią skomplikowanego biologicznego procesu rodzenia dzieci. Niestety, tysiące kobiet w USA ma problemy z jajnikami każdego roku, co może prowadzić do niepłodności. Od chorób autoimmunologicznych po niezwiązane leczenie raka, takie jak chemioterapia, uszkodzenia są w większości nieodwracalne.
Naukowcy z Northwestern University w Chicago są w pełni oddani opracowaniu sztucznego jajnika, który można przeszczepić kobietom, aby mogły mieć dzieci. W 2017 r. zespół kierowany przez Monicę Larondę wykorzystał techniki bioprintingu, które pozwoliły bezpłodnym myszom rodzić .
Zamiast powielać całą architekturę jajnika, zespół opracował różne struktury rusztowań wydrukowane w 3D, które następnie wszczepiono myszom i pozwolono im rosnąć z czasem. Niektóre struktury okazały się dość wydajne: z siedmiu myszy, które kopulowały ze sztucznymi jajnikami, trzy ostatecznie urodziły zdrowe szczenięta, które później stały się typowymi dorosłymi myszami.
W 2020 r. ten sam zespół z Northwestern University zidentyfikował białka strukturalne z jajników świń, które mają praktycznie ten sam typ białek, co u ludzi. Według Larondy celem jest wykorzystanie tych białek do skonstruowania biologicznego, drukowanego w 3D rusztowania, które będzie w stanie utrzymać bank potencjalnych jaj i komórek produkujących hormony.
Ucho
Uszy nie są tylko funkcjonalnymi częściami ludzkiego ciała, ale także zapewniają pewien stopień estetyki. Jako gatunek bardzo towarzyski, ludzie są stale świadomi tego, jak wyglądają. Nie zawsze chodzi o to, żeby dobrze wyglądać lub ładnie wyglądać, ale głównie o to, żeby wyglądać podobnie.
Chirurgia rekonstrukcyjna to dziedzina medycyny, której celem jest przywrócenie funkcji i normalnego wyglądu nieprawidłowościom lub deformacjom powstałym w wyniku wad wrodzonych, zadanych urazów i schorzeń. Nos i uszy to złożone struktury, które są niezwykle trudne do odbudowania, szczególnie w przypadku całkowitego zniszczenia.
Jednak tworzenie złożonych struktur jest jedną z unikalnych możliwości druku 3D. W 2016 r. badacze z WFIRM poinformowali o pomyślnym wszczepieniu wydrukowanych w 3D żywych struktur ucha i mięśni zwierzętom. Takie części działają głównie jako elementy strukturalne, a nie jako interakcje chemiczne, co upraszcza proces biodruku.
Przechodząc do roku 2019, zespół z University of Wollongong w Australii wraz z profesorem Payal Mukherjee opracował biodrukarkę 3D zdolną do produkcji ludzkich uszu do chirurgii rekonstrukcyjnej . Tak zwana drukarka „ 3D Alek ” wykorzystuje materiał chrząstki ludzkiej i jest obecnie zainstalowana w Royal Prince Alfred Hospital w Sydney. Celem jest przyspieszenie rozwoju materiału bioatramentowego specyficznego dla pacjenta w celu wyhodowania materiału chrząstki.
źródło: all3dp
