Bioprinting 3D może pomóc w leczeniu wad serca u dzieci i nie tylko

Przez Natalie Sabin

July 11, 2022 - Prawie 1 na 100 dzieci w Stanach Zjednoczonych rodzi się z wadami serca. Skutki mogą być wyniszczające, wymagając od dziecka polegania na wszczepionych urządzeniach, które z czasem muszą być zmieniane.

"Rozwiązania mechaniczne nie rosną wraz z pacjentem" - mówi dr Mark Skylar-Scott, profesor bioinżynierii na Uniwersytecie Stanforda. "Oznacza to, że pacjent będzie potrzebował wielu operacji w miarę wzrostu".

On i jego zespół pracują nad rozwiązaniem, które mogłoby zapewnić tym dzieciom lepszą jakość życia przy mniejszej liczbie operacji. Ich pomysł: Użycie "bioprinterów" 3D do spreparowania tkanek, których lekarze potrzebują, aby pomóc pacjentowi.

"Marzeniem jest możliwość drukowania tkanek serca, takich jak zastawki i komory, które są żywe i mogą rosnąć wraz z pacjentem" - mówi Skylar-Scott, która spędziła ostatnie 15 lat pracując nad technologiami bioprintingu do tworzenia naczyń i tkanek serca.

Drukarka 3D dla Twojego ciała

Zwykły druk 3D działa podobnie jak drukarka atramentowa w Twoim biurze, ale z jedną kluczową różnicą: Zamiast rozpylać pojedynczą warstwę tuszu na papier, drukarka 3D uwalnia warstwy stopionych tworzyw sztucznych lub innych materiałów po kolei, aby zbudować coś od dołu do góry. Rezultatem może być praktycznie wszystko, od części samochodowych po całe domy.

Trójwymiarowy bioprinting, czyli proces wykorzystywania żywych komórek do tworzenia trójwymiarowych struktur takich jak skóra, naczynia, organy czy kości, brzmi jak coś z filmu science fiction, ale w rzeczywistości istnieje od 1988 roku.

Podczas gdy drukarka 3D może bazować na plastiku lub betonie, bioprinter wymaga "takich rzeczy jak komórki, DNA, mikroRNA i inna materia biologiczna", mówi Ibrahim Ozbolat, PhD, profesor nauk inżynieryjnych i mechaniki, inżynierii biomedycznej i neurochirurgii na Penn State University.

"Te materiały są ładowane do hydrożeli, aby komórki mogły pozostać żywotne i rosnąć" - mówi Ozbolat. "Ten 'bio-ink' jest następnie nakładany warstwowo i daje się mu czas na dojrzewanie do żywej tkanki, co może trwać od 3 do 4 tygodni".

Jakie części ciała naukowcy byli w stanie wydrukować do tej pory? Większość tkanek stworzonych do tej pory poprzez bioprinting jest dość mała - i prawie wszystkie są jeszcze w różnych fazach testów.

"Rozpoczęto badania kliniczne nad rekonstrukcją ucha z chrząstki, regeneracją nerwów i regeneracją skóry" - mówi Ozbolat. "W ciągu najbliższych 5 do 10 lat możemy spodziewać się większej liczby badań klinicznych ze złożonymi typami organów".

Co powstrzymuje bioprinting?

Problem z bioprintingiem 3D polega na tym, że ludzkie organy są grube. Potrzeba setek milionów komórek, aby wydrukować jeden milimetr tkanki. Jest to nie tylko kosztowne, ale również bardzo czasochłonne. Bioprinter, który wypycha pojedyncze komórki na raz, potrzebowałby kilku tygodni, aby wyprodukować nawet kilka milimetrów tkanki.

Jednak Skylar-Scott i jego zespół dokonali niedawno przełomu, który może pomóc znacznie skrócić czas produkcji.

Zamiast pracować z pojedynczymi komórkami, zespół Skylar-Scott'a z powodzeniem wykonał bioprint za pomocą skupiska komórek macierzystych zwanych organoidami. Kiedy kilka organoidów umieszcza się w pobliżu siebie, łączą się one - podobnie jak ziarenka ryżu. Te kępki następnie samoistnie się składają, tworząc sieć maleńkich struktur, które przypominają miniaturowe organy.

"Zamiast drukować pojedyncze komórki, możemy drukować z większych bloków budowlanych [organoidów]" - mówi Skylar-Scott. "Wierzymy, że jest to szybszy sposób wytwarzania tkanek".

Podczas gdy organoidy przyspieszają produkcję, kolejnym wyzwaniem dla tego sposobu bioprintingu 3D jest posiadanie wystarczającej ilości materiałów.

"Teraz, gdy możemy produkować rzeczy z dużą ilością komórek, potrzebujemy dużo komórek do ćwiczeń" - mówi Skylar-Scott. Jak wiele komórek jest potrzebnych? Mówi, że "typowy naukowiec pracuje z 1 do 2 milionów komórek w naczyniu. Aby wyprodukować duży, gruby organ, potrzeba od 10 do 300 miliardów komórek".

Jak bioprinting może zmienić medycynę

Jedną z wizji bioprintingu jest tworzenie żywej tkanki serca i całych organów do wykorzystania u dzieci. Mogłoby to zmniejszyć potrzebę przeszczepów organów i operacji, ponieważ żywe tkanki rosłyby i funkcjonowały razem z własnym ciałem pacjenta.

Ale wiele kwestii musi zostać rozwiązanych, zanim kluczowe tkanki ciała będą mogły być drukowane i żywotne.

"W tej chwili myślimy o małych rozmiarach zamiast drukować całe serce" - mówi Skylar-Scott. Zamiast tego skupiają się na mniejszych strukturach, takich jak zastawki i komory. A te struktury, mówi Skylar-Scott, są co najmniej 5 do 10 lat do przodu.

W międzyczasie Ozbolat wyobraża sobie świat, w którym lekarze mogliby bioprintować dokładnie te struktury, których potrzebują, gdy pacjent leży na stole operacyjnym. "Jest to technika, w której chirurdzy będą mogli przeciągnąć wydruk bezpośrednio na pacjenta" - mówi Ozbolat. Taka technologia drukowania tkanek jest w powijakach, ale jego zespół jest oddany sprawie jej dalszego rozwoju.