Czy w końcu uda się stworzyć serce w warunkach laboratoryjnych?

Serce z drukarki 3D. W końcu uda się je zbudować?

Bioinżynierowie z Uniwersytetu Stanforda chcą wykorzystać druk 3D do budowy żywego i funkcjonalnego serca. To może oznaczać przełom w transplantologii.

Serce to jeden z najbardziej niezwykłych organów w świecie przyrody. Jego komory pompują krew w idealnej harmonii, a materiały, z których jest wykonane, są elastyczne, ale jednocześnie trwałe. To cudowna konstrukcja – jeden z cudów bioinżynierii. Naprawa serca to poważny problem, a stworzenie jego zamiennika jest iście niemożliwe.

Dziecięce wady serca są jedną z najczęstszych form wad wrodzonych w Stanach Zjednoczonych. Jest to bardzo trudne dla rodzin. Istnieją sposoby na przedłużenie życia dzieci dzięki operacji, ale wiele z nich cierpi z powodu ograniczenia aktywności i prowadzi życie pełne niepewności. Aby uzyskać prawdziwie lecznicze rozwiązanie, trzeba w jakiś sposób zastąpić uszkodzoną lub zniekształconą tkankę.

Mark Skylar-Scott, adiunkt bioinżynierii z Uniwersytetu Stanforda

Zespół Skylara-Scotta pracuje nad nowymi metodami leczenia wrodzonych chorób serca, m.in. wykorzystujących druk 3D.

Jak naprawić serce?

Większość istniejących terapii polega na umieszczaniu komórek serca lub komórek macierzystych na tymczasowym „rusztowaniu” – porowatej, gąbczastej substancji, która utrzymuje je w miejscu w trzech wymiarach. Chociaż ta metoda umożliwia naukowcom hodowanie tkanki laboratoryjnej, jest praktyczna tylko w przypadku bardzo cienkich warstw komórek.

Jeśli masz rusztowanie o grubości zaledwie kilku komórek, możesz umieścić komórki we właściwym miejscu. Ale jeśli próbujesz wyhodować coś, co ma grubość centymetra, naprawdę trudno jest umieścić komórki w odpowiednich miejscach, aby mogły wyrosnąć z tkanki. Prawdziwym wyzwaniem staje się utrzymanie ich przy życiu, dostarczenie im odpowiednich składników odżywczych lub doprowadzenie do nich naczyń krwionośnych. Ludzkie narządy nie są monolitycznymi kulami komórek. Każdy z nich jest zbudowany ze złożonych warstw wielu typów komórek, co daje strukturę 3D niewiarygodnie trudną do odtworzenia.

Mark Skylar-Scott

Aby rozwiązać ten problem, Skylar-Scott i jego zespół pracują nad nowym, śmiałym sposobem hodowania narządów. Wykorzystując zaawansowane techniki druku 3D, wytwarzają oni grube tkanki – jedna warstwa po drugiej, umieszczając dokładnie taki rodzaj komórek, jaki jest potrzebny w odpowiednich miejscach. Taka metoda budowy sprawdza się w przypadku replikowania złożonych tkanek, takich jak serce, gdzie trójwymiarowy kształt ma ogromne znaczenie dla funkcji organu.

Choć może to być obiecujące, drukowanie 3D z komórek wiąże się z pewnymi trudnymi i drażliwymi wyzwaniami. W przeciwieństwie do plastikowego filamentu, który drukarki 3D mogą podgrzać i wycisnąć w niezliczonych kształtach, komórki są żywe. Są miękkie, gąbczaste, niedoskonałe i kruche.

Jeśli spróbujesz umieścić pojedynczą komórkę na raz, drukowanie wątroby lub serca może zająć setki lub tysiące lat. Nawet jeśli drukujesz 1000 komórek na sekundę, to i tak musisz ułożyć wiele miliardów komórek, aby uzyskać narząd. Jak się policzy, to nie wygląda to zbyt dobrze na skalowalny proces.

Mark Skylar-Scott

Naukowcom udało się przyspieszyć proces drukowania poprzez układanie gęstych skupisk zwanych organoidami. Dzięki temu można drukować wiele warstw komórek jednocześnie, tworząc coś na kształt trójwymiarowej sieci.

Czytaj też: Wolumetryczny biodruk 3D pozwala na wydrukowanie wątroby w mniej niż 20 sekund

Skylar-Scott testuje wydrukowane tkanki w bioreaktorze – pojemniku wielkości smartfona, który pomaga utrzymać wydrukowane komórki przy życiu. W jego wnętrzu udało się wyhodować wyhodować strukturę przypominającą drukowany organ: rurkę o długości około 2 cali i średnicy pół centymetra. Podobnie jak żyła w ludzkim ciele, to maleńkie urządzenie może samodzielnie „pompować”, kurcząc się i rozszerzając, aby przepuścić przez siebie płyn.

Jeśli uda nam się opracować więcej takich tkanek, będziemy w połowie drogi do stworzenia czegoś, co będzie można wszczepić do ludzkiego ciała. Na przykład u pacjentów urodzonych z pojedynczą komorą serca istnieje tylko jedna komora, która może przepychać krew do organizmu i płuc – co bardzo obciąża układ sercowo-naczyniowy i powoduje wysokie ciśnienie krwi, które może prowadzić do uszkodzenia narządów. Coś takiego mogłoby pełnić funkcję biologicznego urządzenia pompującego, które pomagałoby krwi docierać do i z serca.

Mark Skylar-Scott

Niestety, naukowcy są zgodni, że do drukowania większych struktur (jak funkcjonalna komora serca) droga jeszcze daleka.