Czy w końcu uda nam się stworzyć funkcjonalne organy wykonane w technice druku 3D?

Drukowanie narządów. Jak daleko jesteśmy?

Druk 3D ma swój czas, nie tylko w przemyśle, ale także w medycynie. Naukowcy całkiem dobrze radzą sobie z drukowaniem komórek i biomateriałów, z których są zbudowane ludzkie tkanki, ale wciąż są dalecy od stworzenia całych funkcjonalnych narządów. Gdyby ten cel udało się osiągnąć, prawdopodobnie zażegnalibyśmy kryzys transplantologii. Czy to w ogóle możliwe?

Od momentu pojawienia się druku 3D, naukowcy przewidywali, że pewnego dnia technika ta może posłużyć do wytwarzania żywych narządów, co mogłoby złagodzić ich niedobór w transplantologii. Druk 3D co prawda jest powszechnie wykorzystywany w medycynie, np. do tworzenia implantów stomatologicznych lub modeli wykorzystywanych przez chirurgów do symulowania przeprowadzanych operacji, ale to wciąż „za mało”. Technologia pozwala na wykorzystanie biotuszu do produkcji komórek, które mogłyby tworzyć pełnoprawne organy. Dlaczego zatem wciąż nie mamy organów z drukarki 3D?

Czytaj też: Czy druk 3D może obniżyć koszty eksploracji kosmosu?

Drukowanie tkanek

Pierwsza drukarka 3D powstała pod koniec lat 80. ubiegłego wieku i mogła tworzyć małe obiekty zaprojektowane przy użyciu projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Sam projekt był wirtualnie krojony na warstwy o grubości 0,003 mm, a następnie składany przez drukarkę w kompletny produkt.

Szybko pojawiły się dwie główne strategie wykorzystywane przez druk 3D do stworzenia wzoru. Pierwsza polegająca na wytłaczaniu pasty przez bardzo cienką końcówkę i budowę obiektu warstwowo, od dołu do góry. Druga wykorzystująca pojemnik wypełniony żywicą i zestalający jej warstwy za pomocą lasera, ale od góry do dołu. W przypadku drukowania komórek i biomateriałów w celu odtworzenia replik części ciała i narządów, naukowcy wykorzystują te same dwie strategie, ale wymagające znacznie więcej nakładów pracy i kontrolowania interakcji zachodzących między poszczególnymi elementami.

Czy kiedyś uda nam się stworzyć organy za pomocą techniki druku 3D?

Do tej pory udało się wydrukować organoidy (mininarządy funkcjonalnie odpowiadające pełnoprawnym organom) oraz mikrofluidowe modele tkankowe. Techniki te są wykorzystywane przez firmy farmaceutyczne do testowania leków w fazie przedklinicznej – organoidy właśnie do takich zadań nadają się idealnie. Niestety, stworzenie funkcjonalnych organoidów a odtworzenie pełnowymiarowych narządów to dwie odrębne kwestie. To trochę tak, jak zbudować Budż Chalifa z klocków LEGO i jak wznieść prawdziwy drapacz chmur w Dubaju. Naukowcy wskazują, że postęp w medycynie i biotechnologii jest tak znaczący, że prędzej czy później to się faktycznie uda.

Istnieje wiele firm, które próbują robić takie rzeczy, jak drukowanie uszu w technologii 3D. Naukowcy już zgłosili przypadki przeszczepiania wydrukowanych w technologii 3D uszu dzieciom, które miały wady wrodzone, w wyniku których ich małżowiny były niedorozwinięte. Przeszczepy uszu są, czymś w rodzaju pierwszego dowodu słuszności koncepcji druku 3D w medycynie.

Robby Bowles, bioinżynier z Uniwersytetu Utah

Drukowanie naczyń krwionośnych

Aby stworzyć funkcjonalny organ, trzeba najpierw zbudować trójwymiarowe rusztowanie, na którym można by osadzić komórki macierzyste różnicujące się i rozrastające w konkretne tkanki. Niestety, na ten moment nie da się tego zrobić metodami laboratoryjnymi, bo istniejące protokoły biologiczne nie pozwalają na organizację różnych gradientów i wzorców strukturalnych w tkankach, które nie są jednorodne. Po prostu nie ma kontroli nad tym, w które miejsce tkanki trafiają właściwe komórki. Takie możliwości oferuje natomiast druk 3D, który pozwala bioinżynierom na precyzyjne kierowanie komórek. To z kolei przekłada się na lepsze organoidy, a w końcu może i umożliwić tworzenie organów.

Czytaj też: Reaktory jądrowe z drukarki, czyli jak druk 3D zrewolucjonizuje rynek energii

Idealnie by było, gdyby narządy wykonane w technologii druku 3D były zbudowane z komórek rozpoznawalnych przez układ odpornościowy pacjenta jako własne, unikając tym samym odrzucenia przeszczepu i konieczności przyjmowania leków immunosupresyjnych. Mogłyby być one zbudowane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), specyficznych dla danego pacjenta. Wciąż sporym wyzwaniem jest takie zaprogramowanie komórek, by rozwijały się w konkretny, pożądany przez nas sposób.

Obecnie naukowcy drukują komórki w hydrożelach lub innych środowiskach symulujących warunki panujące wewnątrz organizmu. Druk 3D idealnie nadaje się do tworzenia takich hydrożeli. Udało się już stworzyć całe płaty tkanki, które naśladują funkcje niektórych organów, ale nie odtworzono gęstości i różnorodności warstwowej pełnego organu. Pod koniec 2016 r. firma Organovo ogłosiła program rozwoju tkanek wątroby wytworzonych techniką druku 3D do stosowania do przeszczepów u ludzi. Badania przeprowadzone na myszach były obiecujące.

Dopiero niedawno poczyniono postępy w zakresie jednego z największych wyzwań związanych z narządami wykonanymi w technologii druku 3D – tworzenia naczyń krwionośnych. Problem ten powstrzymywał rozwój inżynierii tkankowej przez dziesięciolecia, ale w 2018 r. Sébastian Uzel, Skylar-Scott i ich zespół z Wyss Institute zdołał stworzyć przy pomocy druku 3D maleńką, bijącą komorę serca wraz z naczyniami krwionośnymi. W tym przypadku wykorzystano technikę FDM, jedną z najpopularniejszych w druku 3D. To wciąż jednak za mało, by zwiastować rewolucję w transplantologii. Na organy wytwarzane metodą druku 3D będziemy musieli jeszcze poczekać.