Druk 3D w medycynie jest jedną z największych obietnic współczesnej nauki. To całkowicie nowe spojrzenie na transplantologię.

Zapotrzebowanie na sztuczne organy.

Czasy, w których obecnie żyjemy charakteryzują się bardzo dynamicznym postępem technologicznym. Współczesna inżynieria nie opiera się już tylko na mechanice i elektronice. Dzięki gwałtownemu rozwojowi nauk biomedycznych doszło do spotkania inżynierii i medycyny; tak powstała inżynieria biomedyczna, a szczególnie inżynieria tkankowa.

Dotychczasowy rozwój medycyny zaowocował znacznym wydłużeniem ludzkiego życia. Przez ostatnie pół wieku życie statystycznego Polaka wydłużyło się prawie o 9 lat. Z całą pewnością do takiego obrotu sprawy przyczyniło się wiele czynników, do których niewątpliwie należy zaliczyć powszechne stosowanie antybiotyków czy zdecydowanie lepsze wyniki przeżycia wśród małych dzieci, dzięki powszechnym szczepieniom. Niestety nie wszystkim chorobom można zapobiec przez szczepienia lub leczenie farmakologicznie.
W niektórych przypadkach wymagane jest zastosowanie przeszczepu skóry, szpiku, a także całych narządów. Przykładem jednej z takich chorób jest cukrzyca, której leczenie polega głównie na podawaniu insuliny, a w bardziej zaawansowanych stadiach takich jak niewydolność nerek, uszkodzenie wzroku bądź brak odczuwania niskich glikemii potrzebna jest transplantacja. Stosowany jest wówczas jeden z trzech wariantów, a mianowicie przeszczep trzustki, trzustki z nerką bądź samych wysp trzustkowych.

Jednak oczekiwanie na przeszczep może trwać wiele lat. Jest to w głównej mierze spowodowane ograniczoną ilością dawców. W przypadku wielu narządów mogą być one pozyskiwane wyłącznie od zmarłych dawców. Gdy biorca doczeka się już wymarzonego przeszczepu, istnieje ryzyko, że jego organizm nie zaakceptuje przeszczepionego narządu. Reakcje obronne organizmu, niestety, nierzadko doprowadzają do odrzucenia organu. Ponadto biorca do końca życia musi przyjmować leki immunosupresyjne, czyli takie, które zapobiegną odrzutowi.

A gdyby tak istniała możliwość stworzenia organu z komórek pobranych od chorego? Czyż nie byłoby to idealnym rozwiązaniem? Stworzyć nowy, spersonalizowany narząd prawie z niczego? Czy jest to możliwe?

Poszukując odpowiedzi na te pytania rozwinęła się nowa gałąź nauki – inżynieria tkankowa, która zajmuje się opracowaniem metod tworzenia różnych sztucznych tworów, spełniających funkcje natywnych narządów, które w przyszłości będzie można wszczepiać chorym.

Zróbmy części zamienne dla ludzi, czyli rozwój inżynierii tkankowej.

Inżynieria tkankowa jest nauką z pogranicza medycyny i inżynierii materiałowej. Pierwsze kroki w tej dziedzinie były stawiane w celu poszukiwania materiałów, które charakteryzowałyby się odpowiednimi dla zastosowania w medycynie właściwościami –  byłyby wytrzymałe i nie szkodziły organizmowi. Badania w tej tematyce były prowadzone w oparciu o różnorodne grupy substancji, wśród których początkowo szczególne zainteresowanie wzbudziły metale, takie jak tytan chirurgiczny. Implantologia i chirurgia rekonstrukcyjna od dawna bazują na osiągnięciach inżynierii tkankowej. Obecnie tworzy się materiały nie tylko biozgodne, ale także biodegradowalne. Mają one za zadanie umożliwić regenerację uszkodzonej tkanki organizmu poprzez spełnianie funkcji „rusztowania” dla różnicujących się komórek. Ponadto charakterystyczną cechą owych materiałów jest łatwa i stosunkowo szybka degradacja wytworzonego z nich implantu w obrębie organizmu. Produktami takiego rozpadu są obojętne dla organizmu związki takie jak woda czy dwutlenek węgla. Ale jak tworzyć takie implanty?

Inżynieria tkankowa stosuje wiele metod mających na celu stworzenie funkcjonalnego implantu. Obecnie powszechnie stosowane są biodrukarki 3D. Pozwalają one nie tylko na wydrukowanie sztucznego tworu z wykorzystaniem odpowiednich komponentów, ale docelowo mają także służyć do stworzenia w pełni funkcjonalnego narządu.

Jak to działa, czyli biodruk w skrócie.

Pierwsze prace nad biodrukowaniem z początku XXI wieku wykorzystywały zwykłe drukarki atramentowe, stosujące efekt piezoelektryczny do tworzenia kropli tuszu – nie wymaga to wysokich temperatur, w związku z tym mogły być zastosowane do drukowania z wykorzystaniem żywych komórek jako składników biotuszu. Obecnie najczęściej stosowaną formą biodruku jest ekstruzja – przy pomocy komputera wyciska się z kartridża (strzykawki) biotusz z komórkami, które układa się w kolejne warstwy tworząc konstrukcję trójwymiarową. Wydruk kontrolowany jest z poziomu komputera a drukarka ułoży warstwy tak jak my jej każemy. W trakcie druku możemy kontrolować warunki fizyko-chemiczne takie jak: temperatura, ciśnienie, wartość pH co jest ważnym elementem pozwalającym wpływać na kosystencję biotuszu po wydruku – czyli zamianę z płynnego w stałe. Ważnym ograniczeniem  na chwilę obecną jest stosunkowo niska rozdzielczość ok. 100 μm dla drukarek stosujących materiał tkankowy. Ponadto układanie kolejnych warstw i tworzenie naczyń ciągle stanowi wyzwanie przy druku 3D. Po nałożeniu na siebie 20-30 warstw, dolne zaczynają być ściskane jak kilka tortów położonych na sobie. Na chwilę obecną, tylko druk w stanie nieważkości rozwiązałby ten problem.

Jednym z większych problemów przy biodruku 3D jest stworzenie odpowiedniego biotuszu, czyli pewnego rodzaju żelu, który stworzy środowisko odpowiednie do wzrostu komórek.

Gdy mamy gotowy biotusz i zaprojektowany model naszego konstruktu, możemy zacząć drukowanie, co z pewnością nie jest takie proste jak się wydaje. Metod biodruku, jak wspomniałem wcześniej jest kilka. Główne różnice między nimi stanowią o możliwościach zastosowania biotuszu o odpowiednich właściwościach fizykochemicznych, a co za tym idzie – możliwości dokładnego odwzorowania stworzonego modelu 3D.

Co zostało wydrukowane, czyli czy zbliżamy się do otrzymania prawidłowo działających narządów?

Wiele zespołów badawczych z całego świata ma już na swoim koncie pierwsze sukcesy z zakresu biodrukowania narządów i tkanek. Głównie obejmują one wydrukowanie biorusztowań, na których hodowano komórki o różnym pochodzeniu. Obecnie drukowane są już kości i chrząstki, udało się także wydrukować małżowinę uszną czy pęcherz moczowy. Tworzenie elementów organizmu, które nie są ukrwione nie stanowi już takiego wyzwania jak jeszcze kilka lat temu. Jednak prace nad otrzymaniem w pełni funkcjonalnego organu wymagają także opracowania systemu naczyń krwionośnych poprzez które ów narząd będzie można odżywiać. Obecnie prace nad bioniczną wątrobą, nerką, trzustką a nawet sercem wciąż trwają. Ponadto wydaje się, że technika druku tkanek 3D będzie pomocna nie tylko w transplantologii, ale także w farmakologii w celu personalizowania medycyny. Możliwość zastosowania wydrukowanych tkanek z komórek pacjenta, które zostaną poddane testom farmakologicznym „in vitro” umożliwi lepszą i właściwiej dobraną terapię przewlekłą.

W ostatnim czasie technologia biodrukowania rozpowszechniła się na szeroką skalę, co utrzymuje nas w przekonaniu, że stanowi ona istotną dla rozwoju inżynierii biomedycznej metodę wytwarzania konstruktów przypominających natywne organy. Obecnie jesteśmy coraz bliżej opracowania pełnej procedury mającej na celu otrzymanie narządów gotowych do transplantacji, wykonanych z pojedyńczych komórek pobranych bezpośrednio od pacjenta.

Artykuł powstał w współpracy z Rzeczpospolitą, w ramach cyklu Oswoić Naukę. Jest to drugi z dwunastu artykułów przybliżający świat nauki. Artykuły będą pojawiać się na łamach gazety raz w miesiącu.

Autor: dr hab. med. Michał Wszoła

Przewodniczący Rady Naukowej Fundacji Badań i Rozwoju Nauki

Chirurg transplantolog, pomysłodawca bionicznej trzustki, autor nowej metody mini inwazyjnego leczenia powikłanej cukrzycy – endoskopowego przeszczepienia wysp trzustkowych pod śluzówkę żołądka oraz współzałożyciel międzynarodowych platform multimedialnych do wymiany wiedzy medycznej medtube.net i medizzy.com.

Współautorka: Katarzyna Kosowska

Zespół naukowy

Specjalistka w dziedzinie inżynierii chemicznej i procesowej. Od 2018 roku zajmuje stanowisko menadżera zespołu chemicznego.