"In vitro - medycyna przyszłości"

„Potrzebujesz nową wątrobę? Wydrukuj ją sobie sam!” Takie oto fantastycznie brzmiące tytuły coraz częściej pojawiają się w mediach, które donoszą o kolejnych sukcesach naukowców w pozaustrojowym tworzeniu tkanek i narządów. Czy rzeczywiście jesteśmy w stanie hodować w pełni funkcjonujące organy i tym samym ratować ludzkie zdrowie i życie? Warto przyjrzeć się z bliska temu intrygującemu zagadnieniu, które budzi nie tylko wielkie nadzieje ale również spore obawy.

Prowadzenie badań in vitro to zajęcie niezmiernie ciekawe ale wcale niełatwe. Jest czasochłonne, pracochłonne i wymaga wysokich nakładów finansowych. Cały proces wymaga też dyscypliny badacza i stworzenia idealnie czystych warunków. Każda bakteria, która w normalnych warunkach nie miałaby najmniejszych szans na przeżycie, jest śmiertelnie niebezpiecznym wrogiem kultury in vitro, będącym w stanie skutecznie wykończyć całą hodowlę w krótkim czasie. W uproszczonych warunkach komórki łatwiej mutują, zatem niezbędne jest kontrolowanie jakości hodowli. Komórki żyjące poza organizmem wymagają nieustannej opieki: „karmienia”, usuwania zużytego medium hodowlanego oraz dbania aby miały wystarczająco dużo miejsca by rosnąć. To trochę jak opieka nad dziećmi, po prostu nie można spuścić ich na dłużej z oka.

Z drugiej strony zalety hodowli in vitro są tak ogromne, że z pewnością przerosły oczekiwania twórców tej dziedziny. Przede wszystkim dają możliwość prowadzenia powtarzalnych doświadczeń w takich warunkach, jakie tylko sobie założymy. Wyhodowane komórki można zamrażać i przechowywać w ciekłym azocie przez wiele lat. Badania in vitro stały się nawet alternatywą dla niektórych eksperymentów in vivo (na zwierzętach). Obecnie trudno znaleźć dziedzinę nauki, w której hodowla komórek nie miałaby zastosowania.

Zalety hodowli in vitro są tak ogromne, że z pewnością przerosły oczekiwania twórców tej dziedziny

A wszystko zaczęło się bardzo niewinnie. Próby hodowania komórek w warunkach in vitro podejmowano już w XIX wieku. Można tu wymienić wielu znanych naukowców i lekarzy jak Alfred Vulpian, Sidney Ringer czy Justin Jolly. Jednak za twórcę tej dziedziny nauki uznano dopiero Rossa G. Harrisona, który w 1907 r. hodował neurony żaby w kropli limfy. Komórki nie tylko rosły ale również dzieliły się i różnicowały. Niestety, mimo wielu niewątpliwych zasług dla nauki Harrison nie doczekał się Nagrody Nobla, chociaż był do niej dwukrotnie nominowany. Otrzymał ją inny badacz – chirurg Alexis Carrel, którego cenne dokonania dotyczyły głównie chirurgii i transplantologii. Dodatkowo zajmował się hodowlami in vitro, w których wprowadził wiele pożytecznych innowacji. Przede wszystkim odkrył ogromną rolę aseptyki, zarówno na sali operacyjnej jak i w laboratoriach, co było wydarzeniem przełomowym w chirurgii oraz hodowli komórek. Gwałtowny rozwój badań in vitro przypada na lata 50-te i 60-te ubiegłego wieku. Nauczono się wówczas pozyskiwać stabilne linie komórkowe z tkanek prawidłowych i nowotworowych, przygotowywać uniwersalne i selektywne pożywki hodowlane a w kolejnych latach zaczęto wykorzystywać kultury komórkowe w różnych dziedzinach nauki. W tej chwili zakres wiedzy i możliwości techniczne powodują, że hodowla komórek jest w fazie specjalizacji. Jednym z głównych kierunków jest inżynieria tkankowa, która daje nadzieję na ogromny postęp w leczeniu wielu chorób oraz regeneracji uszkodzeń tkanek i narządów.

Przykładów zastosowania hodowli w medycynie jest wiele. Pierwszy to pozaustrojowe badania naukowe nad wpływem różnych czynników na komórki naszego organizmu, przede wszystkim testowanie nowych leków. Takie badania mają ogromne znaczenie dla farmakologii, toksykologii czy onkologii. Można też użyć in vitro w celowanych terapiach komórkowych oraz w medycynie regeneracyjnej. Dzięki komórkom wyhodowanym w laboratorium możliwe staje się leczenie chorób nowotworowych krwi, dystrofii mięśniowej czy uszkodzenia rdzenia kręgowego.

Próby wykorzystania hodowli w medycynie regeneracyjnej to teren tzw. inżynierii tkankowej. W 1993 roku chemik R. Langer i chirurg J. Vacanti na łamach czasopisma Science po raz pierwszy użyli tego określenia w odniesieniu do nowej dziedziny nauki, zajmującej się wytwarzaniem substytutów biologicznych umożliwiających regenerację uszkodzonych bądź zastąpienie niefunkcjonujących tkanek i narządów. Inżynieria tkankowa łączy podstawy nauk przyrodniczych i medycznych oraz metody inżynierii materiałowej. Powszechnie wiadomo, że główne problemy transplantologii to brak dawców oraz ryzyko odrzucenia przeszczepu. Pacjenci są skazani na przyjmowanie leków immunosupresyjnych do końca życia. Dlatego możliwość hodowania organów in vitro to nowa szansa dla wielu ciężko chorych ludzi, a pojawiła się ona dzięki wynalezieniu specjalnych rusztowań dla hodowli trójwymiarowych. Takie matryce muszą być nietoksyczne, bioresorbowalne i biokompatybilne. W użyciu są zarówno materiały naturalne (np. kolagen, kwas alginowy), jak i syntetyczne (np. poliestry). Gotowe rusztowania zasiedla się komórkami (najczęściej używane są komórki macierzyste pobrane od pacjenta), następnie umieszcza w bioreaktorze, gdzie powstają z nich funkcjonalne struktury gotowe do implantacji. Urządzenie to utrzymuje ściśle określone warunki fizykochemiczne, takie jak temperatura, ciśnienie, wilgotność, stężenie substancji odżywczych oraz sterylność. Jeśli komórki pochodzą od pacjenta ryzyko odrzucenia takiego organu jest niemal zerowe. Po wszczepieniu matryca stopniowo zanika i jest zastępowana przez nowo powstałe tkanki organizmu.

Za pionierów hodowli funkcjonalnych organów w warunkach in vitro uważa się naukowców z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine. Dyrektor tej jednostki, profesor Anthony Atala, przeprowadził w 1999 roku pierwsze operacje wszczepienia wyhodowanego in vitro pęcherza moczowego dzieciom z wrodzonym rozszczepem kręgosłupa. Od tej pory wykonano wiele podobnych implantacji, zakończonych pełnym sukcesem.

Obecnie trwają eksperymenty mające na celu wyhodowanie innych narządów, takich jak nerki, wątroba, naczynia krwionośne, zęby czy serce. Do tworzenia tkanek i organów w warunkach in vitro często wykorzystuje się drukarki 3D, gdzie atramentem są komórki a kartkami specjalne hydrożele. Duże nadzieje wiązane są z wyhodowaniem modeli „żywej” skóry, gdyż leczenie rozległych oparzeń to jedno z najtrudniejszych wyzwań medycyny regeneracyjnej. Wiele placówek naukowych na całym świecie zajmuje się inżynierią tkankową, jako przyszłą alternatywą dla transplantologii oraz chirurgii rekonstrukcyjnej. Postęp w tej dziedzinie jest niesłychanie szybki a sukcesy spektakularne.

Zatem pytanie nie brzmi: „czy” ale „kiedy” będziemy umieli na szeroką skalę hodować bądź drukować narządy w laboratoriach a tym samym ratować życie ludzkie. To, co dla naszych pradziadków było jedynie fantastyką naukową, dzisiaj powoli staje się rzeczywistością. Nie należy się jej obawiać lecz śmiało podążać do przodu, w kierunku nowych możliwości. Tak wiele jeszcze zostało do zrobienia.