"Druk 3D w medycynie regeneracyjnej"

.W ostatnich latach można zaobserwować ogromny postęp w rozwoju druku trójwymiarowego, w tym niezwykłe osiągnięcia w tworzeniu żywych tkanek ludzkich tą metodą. Jakie nowe szanse dla medycyny stwarza doskonalenie tej ważnej technologii? Czego już udało się dokonać w dziedzinie bioinżynierii medycznej dzięki nowoczesnym drukarkom 3D?

.O drukowaniu organów wspominałam przy okazji przedstawiania licznych zastosowań technik in vitro w medycynie, w tym inżynierii tkankowej [LINK]. Od tego czasu rozwój biodruku 3D osiągnął stopień tak zaawansowany, że warto wrócić do tego tematu. Niemal codziennie dowiadujemy się o nowych, zaskakujących udoskonaleniach i pomyślnie zakończonych eksperymentach, które jeszcze do niedawna wydawały się niemożliwe do przeprowadzenia. Przede wszystkim – nie w tak krótkim czasie.

Kalifornijska firma Organovo, wykorzystująca od wielu lat technologię druku 3D, jako pierwsza zaczęła tworzyć w ten sposób tkanki ludzkie. W tej chwili konstruuje różne typy tkanek oraz fragmenty organów m.in. mięśnie, skórę, wątrobę, ostatnio również naczynia krwionośne, osiągając coraz większe sukcesy.

Obecnie najbardziej znane zespoły naukowe zajmujące się drukowaniem organów funkcjonują  w Stanach Zjednoczonych. Na szczególną uwagę zasługują: prof. Anthony Atala z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine [LINK], prof. Jeremy J Mao z Center for Craniofacial Regeneration na Columbia University w Nowym Jorku oraz prof. Jake Barralet z McGill University w Montrealu. Oczywiście w wielu krajach Europy, przede wszystkim w Anglii, jak również w Chinach, można znaleźć wiele ośrodków interesujących się biodrukiem i mających na tym polu ogromne osiągnięcia.

Naukowcy, którzy na co dzień zajmują się drukowaniem coraz doskonalszych żywych tkanek poza ustrojem, na naszych oczach tworzą nowy rozdział historii ludzkości.

Dzięki szybkiemu prototypowaniu, które jest zestawem technik oraz procedur do błyskawicznego wykonania modelu interesującego nas narządu, możliwe jest drukowanie żywych i funkcjonujących struktur, w niczym nie różniących się od pierwowzoru. Po zaprojektowaniu schematu tkanki w specjalnym programie, wykonywany jest protokół formujący wielokomórkowe jednostki budujące, zwane bio-tuszem.

Nadrukowywane warstwa po warstwie komórki, dzięki zastosowaniu odpowiednich żeli naśladujących macierz pozakomórkową, mogą wchodzić w interakcje i różnicować się w różne typy tkanek. Drukarki 3D do tworzenia organów mają specjalne zmodyfikowane podzespoły do druku w skali mikro np. odpowiednie głowice oraz regulowane zawory do precyzyjnego przesyłania płynów. Biodrukarka z reguły posiada 2 dozowniki, w jednym jest bio-tusz, czyli np. komórki macierzyste zawieszone w medium hodowlanym, w drugim specjalny bio-żel, niejako odpowiednik kartki. Druk odbywa się kropla po kropli. Najmniejsze z nich mają objętość 2 nL i zawierają max. 5 komórek. Interesującą modyfikacją są biodrukarki in situ, które drukują skórę bezpośrednio na ranie, obecnie testowane przez prof. Anthonego Atalę. W przyszłości będą idealnym narzędziem służącym leczeniu oparzeń.

.Dużym wyzwaniem jest wydrukowanie wielotkankowych narządów, zawierających niezbędne do funkcjonowania naczynia i nerwy. Pierwsza drukarka tworząca naczynia krwionośne została zaprezentowana już w 2010 roku na konferencji w Orlando na Florydzie. Na początku bieżącego roku w znanym czasopiśmie naukowym Biomaterials ukazała się publikacja, opisująca możliwość tworzenia/regeneracji włókien nerwowych dzięki technice biodrukowania, a dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu w Sheffield.

Na międzynarodowej konferencji poświęconej drukowi 3D, która miała miejsce w kwietniu 2015 roku w Nowym Jorku, zaprezentowano ostatnie osiągnięcia z dziedziny drukowania żywych tkanek – między innymi prototyp nerki stworzony przez zespół prof. A. Atali, implanty kości czaszki z Oxford Performance Materials w South Windsor, czy idealne naczynia krwionośne stworzone dzięki zastosowaniu nanotechnologii przez zespół naukowy z Harvard University w Massachusetts [LINK].

Drukowanie narządów do przeszczepu to ciągle sprawa przyszłości, natomiast implanty powstające dzięki drukarkom 3D są używane rutynowo w praktyce klinicznej.

Wszczepianie fragmentów tkanek takich jak kości, chrząstki to już standard leczenia w niektórych ośrodkach medycznych. Od kilku lat przeprowadza się operacje z użyciem sztucznych modeli twarzoczaszki, bądź mózgoczaszki stworzonych dzięki technologii druku 3D.

Niedługo implanty zębów będą mogły być tworzone bezpośrednio w gabinetach dentystycznych, odpowiednio zaprojektowane dla indywidualnego pacjenta.

Drukowane implanty, jak również protezy, są o wiele tańsze i mają lepsze właściwości niż produkowane za pomocą starszych technologii.

Niektóre protezy łączy się już ze specjalnym chipem w korze mózgu, dzięki czemu pacjent może nimi wykonywać precyzyjne ruchy za pomocą własnej woli. Taką nowoczesną protezę ręki wydrukował m.in 17-latek, Easton LaChappelle z Colorado, który dzięki swojemu wynalazkowi stał się sławny i został zaproszony do współpracy z NASA.

Wydrukowane prototypy, których nie można jeszcze na tym etapie badań wszczepić pacjentom, również znajdują zastosowanie w medycynie i nauce. Niektóre mogą służyć do testowania różnych terapii, zwłaszcza nowych leków.

Wykorzystanie żywych tkanek in vitro ma ogromne znaczenie w medycynie, zwłaszcza w toksykologii, gdyż jest alternatywą dla badań na zwierzętach i ludziach.

Tak stało się w 2013 roku w przypadku wydrukowanej przez Organovo wątroby, obecnie dostępnej komercyjnie (od 2014 roku w sprzedaży, [LINK]). Druk skrawka wątroby, w tym hepatocytów i komórek Browicza-Kupfera trwa ok. 45 minut, czas życia to ok. 40 dni. Firma sugeruje, że już niedługo wydrukuje ten narząd z przeznaczeniem do przeszczepów, odpowiedniej wielkości i w pełni funkcjonalny.

Organy stworzone dzięki technologii 3D mogą również stanowić model do ćwiczeń np. szczegółowego zaplanowania procedury operacji i zdobycia niezbędnego doświadczenia w skomplikowanych i niecodziennych przypadkach. Przykładów jest wiele, np. w 2011 roku w Londynie lekarze wydrukowali połączone systemy krwionośne bliźniąt syjamskich i przed dokonaniem rzeczywistego zabiegu chirurgicznego spróbowali odseparować oba układy w warunkach in vitro. W tej chwili w wielu laboratoriach drukuje się w celach naukowych serca, płuca, wątroby, często połączone naczyniami krwionośnymi, w których płynie substytut krwi. Dzięki temu można prowadzić dokładne badania nad wpływem różnych czynników na takie systemy naśladujące organizm ludzki, o wiele cenniejsze niż testy na zwierzętach. Narządy 3D mogą służyć jako modele dydaktyczne dla przyszłych lekarzy.

Druk 3D ma również zastosowanie w onkologii. Dzięki stworzeniu modelowych guzów z komórek nowotworowych, będzie można testować wpływ leków oraz innych rodzajów terapii w warunkach identycznych, jak w przypadku prawdziwego nowotworu. Jedne z pierwszych guzów (rak jajnika) wydrukowano już w 2011 roku w laboratoriach Uniwersyteckiej Szkoły Medycznej w Harvardzie.

.Potencjał technologii biodruku 3D jest ogromny. Najbliższe lata będą przełomowe. Dla medycyny regeneracyjnej to wielka szansa, przede wszystkim alternatywa dla tradycyjnej transplantologii, ale również nowe możliwości w przypadku innych dziedzin, których celem jest ratowanie zdrowia i życia ludzi. Oczywiście wiąże się to z koniecznością podjęcia przez poszczególne kraje inicjatyw ustawodawczych regulujących możliwość wykorzystania drukowanych organów w nauce i medycynie, tak aby móc zagwarantować odpowiednią ich jakość oraz właściwe wykorzystanie.

Sylwia Borska