Narządy skrojone „na miarę” czasu, czyli o rewolucji technologicznej w medycynie07.05.2014

autor: Katarzyna Tomczak
słowa kluczowe:

XXI wiek to czas ogromnego postępu naukowo-technicznego obejmującego już niemal każdą sferę naszego życia. Poczynając od XVIII-wiecznej rewolucji przemysłowej, bez wątpienia możemy stwierdzić, że dzięki nowym technologiom oraz zaawansowanej technice, widocznie poprawiła się jakość i bezpieczeństwo naszego życia. Poza przemysłowymi udogodnieniami takimi jak parzenie kawy w ekspresie, korzystanie z klimatyzacji w samochodzie, skanowanie i przesyłanie dokumentów w sieci, maszyny znalazły zastosowanie również w medycynie- efektywnie „służąc drugiemu człowiekowi”. Dzięki temu, że praca maszyn jest o wiele bardziej precyzyjna i wydajniejsza, niż praca ludzkich rąk, oraz dzięki temu, że potrafią one pracować „non-stop” nawet w warunkach ekstremalnych, maszyny stały się pożądanym i nieodzownym elementem pracy naukowców, inżynierów, a przede wszystkim pracowników służby zdrowia. Wzrastające na rynku zapotrzebowanie na idealnie skrojone obiekty, dopasowane materiały przyczyniło się do wyodrębnienia i rozwoju techniki tzw. drukowania przestrzennego (ang. 3D printing). Umożliwiło to produkcję idealnie skrojonych części zabawek, śrubek, elementów konstrukcji statków kosmicznych, mikroprocesorów komputerowych, a co dla nas najważniejsze pojawił się potencjał „drukowania” ludzkich narządów. I tak oto nastała nowa era, w której maszyny wytworzone przez człowieka, krok po kroku zaczną budować ludzkie ciało.

Początki druku 3D

Narodziny drukowania przestrzennego, czyli procesu tworzenia trójwymiarowych obiektów fizycznych na podstawie komputerowego modelu, przypadają na początek lat 80-tych XX wieku. Wynalazcą pierwszej drukarki 3D, a zarazem twórcą terminu stereolitografii jest Charles Hull. Założył on firmę o nazwie 3D systems, oraz opracował unikalny format zapisu projektów 3D (tzw. plik SLT)- format niezbędny do przesyłania instrukcji drukarkom przestrzennym. W kolejnych latach pojawiały się udoskonalone modele drukarek przestrzennych. Nikt nie przypuszczał, aż do 2010 roku, że drukowanie przestrzenne, będzie komercyjnie dostępne i znajdzie zastosowanie w powszechnym użytkowaniu. Dzięki możliwości korzystania z różnego typu materiałów (tworzywa sztuczne jak polimery PLA, ABS, PVA, nylon, materiały drewnopodobnych, kompozyty plastiku i gipsu, czy też żywice, gumy oraz produkty spożywcze jak czekolada), drukarki 3D zyskały wielorakie zastosowanie, a tym samym szerokie grono zwolenników. W przeciągu ostatnich dwóch dekad drukowanie 3D osiągnęło status produkcji rzędu 2,7-billionów dolarów, wytwarzając zabawki, biżuterię, części samolotów czy produkty spożywcze. Obecnie do najlepszych 10-ciu światowych firm wykorzystujących drukarki 3D na wysoką skalę możemy zaliczyć: General Electrics, Boeing, Ford, Nike, American Pearl, DIY Rockets, Hasbro, Hershey's, MakieLab czy Matter.io.

Drukarki 3D w naukach przyrodniczych i medycynie

Nauki przyrodnicze, w tym medycyna nie pozostały w tyle, i również wykorzystały zalety drukowania przestrzennego na własne potrzeby. Jednakże na wstępie należy zaznaczyć, że zdecydowanie łatwiejszym jest drukowanie z takiego materiału jak plastik, metal czy czekolada, niż drukowanie z żywych komórek (bio-drukowanie). Obecnie naukowcy intensywnie pracują nad zastosowaniem oraz potencjalnym ulepszeniem drukowania przestrzennego w medycynie, zwłaszcza medycynie regeneracyjnej. W laboratoriach na całym świecie bioinżynierowie testują drukowanie prototypów części ludzkich narządów takich jak: naczynia krwionośne, zastawki serca, sztuczne kości i stawy czy nawet gałki oczne oraz różnego rodzaju protezy dla niepełnosprawnych osób. Biorąc pod uwagę niezmierny potencjał drukarek 3D i możliwości ich nieograniczonego rozwoju w dziedzinie nanobiologii i bio-drukowaniu (ang. bioprinting) angażowane są ogromne fundusze. Od 2007 roku, ośrodek badawczy The National Heart, Lung, and Blood Institute of National Institutes of Health w USA otrzymał grant na projekt powiązany z bio-drukowaniem w wysokości 600 tysięcy dolarów, zaś w roku ubiegłym Organovo- firma przodująca w badaniach wykorzystujących bio-drukarki, otrzymała dofinansowanie w kwocie ponad 24 milionów dolarów. Stawki są wysokie, bowiem jest o co walczyć. Walczymy o nowe narządy dla chorych i umierających, o rozwój medycyny regeneracyjnej!

Narodziny bio-drukowania

Pomysł na drukowanie żywych komórek (tzw. bio-drukowanie) zrodził się w 2000 roku w głowie pewnego bioinżyniera Thomasa Bolanda z Clemson University (USA). Biorąc pod uwagę fakt, że skoro naukowcy potrafią już modyfikować proste drukarki atramentowe na własne potrzeby, m.in. drukowanie DNA, Boland postanowił zmodyfikować własną drukarkę biurową. Jak można sobie wyobrazić, pierwsze drukarki atramentowe 2D nie były ani drogie, ani szczególne zaawansowane technicznie patrząc z dzisiejszego punktu widzenia. Boland wykonał bardzo prostą, ale genialną czynność. Mianowicie pojemnik na atrament drukarki wypełnił kolagenem, a następnie wykorzystując program Word wydrukował go na czarnej kartce papieru. Co uzyskał? Otrzymał idealnie wydrukowane literki! Co więcej, Boland poszedł dalej, rozpoczął testowe drukowanie komórek. Tak, żywych komórek! Biorąc pod uwagę, że najmniejsze ludzkie komórki mają średnicę 10 μm, czyli w przybliżeniu tyle co kropla atramentu, uzyskał ten sam zadowalający efekt. Po przetestowaniu większości różnych linii komórkowych, począwszy od bakteryjnych po ssacze, i uzyskaniu wysokiego stopnia ich przeżywalności, w 2003 roku Boland opatentował metodę drukowania żywych komórek. Niedługo potem, tak zmodyfikował swój model drukarki by platforma drukarki mogła poruszać się w górę i w dół. Umożliwiło to drukowanie żywych komórek warstwa po warstwie. Thomas Boland, znany dziś jako „ojciec bio-drukowania” dał nam wspaniałe narzędzie do drukowania „żywych obiektów 3D”.

Drukowane narządy

Możliwość drukowania żywych komórek w formacie 3D dała ogromny potencjał do rozwoju medycyny regeneracyjnej. Wykorzystując proces bio-drukowania w 3D, mamy możliwość tworzenia nie tylko sztucznych narządów, ale ich żywych prototypów. Jak wiemy struktura organów jest różna, często skomplikowana i komórkowo złożona. Wykorzystując zalety technologii bio-printingu możliwe jest precyzyjne określenie pożądanego obszaru drukowania, określenie ilości komórek przypadających na każdą nanoszoną warstwę, i w gruncie  rzeczy stworzenie „skrojonego na miarę” narządu. Jest to bardzo ważny krok dla rozwoju nauki i medycyny, w szczególności jeśli chodzi o przeszczepy tkanek lub całych narządów. Bio-drukowanie z komórek pobranych od pacjenta znacznie przyczyni się do obniżenia stopnia odrzucenia przeszczepionego narządu. Z tej perspektywy wszystko wydaje się proste, lecz zasadniczym etapem w całym procesie tworzenia jest zrozumienie biologii komórki. Naukowcy muszą najpierw określić nie tylko jaki rodzaj komórek wykorzystać, ale przede wszystkim zoptymalizować sposób ich namnożenia w laboratorium oraz utrzymać w dobrej kondycji, aż do momentu wykorzystania w bioinżynierii tkankowej, w przeszczepach. Istotne jest też czy komórki wymagają osadzenia na specjalnym bio-kompatybilnym rusztowaniu (tzw. skafoldach). Jeśli tak, to dodatkowo należy przetestować ich interakcję z żywą komórką i dobrać najbardziej odpowiedni materiał. Równie ważne jest stworzenie optymalnych warunków, które przyczynią się do przekształcenia takiego zgrupowania komórek w prawidłowo funkcjonującą tkankę. Należy pamiętać, że im bardziej złożony organ tym większy nakład pracy badawczej. Co w tym procesie jest najtrudniejsze do przewidzenia to to, jak komórki będą migrować w przygotowanym rusztowaniu i czy spełnią swoje biologiczne zadanie. W 1999 roku naukowcy ośrodka naukowego The Wake Forest Institute for Regenerative Medicine po raz pierwszy wykazali, że organ powstały w laboratoryjnej niszy jest funkcjonalny i nadaje się do przeszczepu. W latach 1999-2001 Anthony Atala z sukcesem wszczepił siedmiu pacjentom laboratoryjnie uzyskany pęcherz moczowy. Ponadto w ośrodkach na całym świecie prowadzone są badania nad stworzeniem innych ludzkich tkanek i organów takich jak tchawica, wątroba czy serce. Struktury te tworzone są m.in. z kombinacji żywych komórek (najczęściej specyficznych dla pacjenta) oraz odpowiednich biomateriałów służących do odtworzenia struktury pożądanego organu. Oczywiście należy tu podkreślić, że skanowanie medyczne, modelowanie komputerowe oraz użycie drukarki 3D zapewnią tutaj wielką precyzję co do miejsca nałożenia komórek oraz ostatecznego kształtu tworzonego narządu.

Potencjał bio-printingu

Jedną z prężnie działających na rynku firm specjalizujących się w bio-drukowanych narządach jest amerykańska firma Organovo. Skupia ona uwagę na ważnych aspektach począwszy od rozwoju programów komputerowych umożliwiających coraz to lepsze obrazowania 3D, aż do zautomatyzowania procesu samego drukowania narządów. Organovo opracowało metodę hodowli komórek wątrobowych nadrukowanych na tzw. chipie, która ma być wykorzystywana do testowania leków. Jeśli metoda ta się sprawdzi i dostarczy farmaceutom w szybszym czasie lepszych i dokładniejszych danych, cały proces odkrywania leków zostanie znacząco przyspieszony, a tym samym pozwoli na sprawniejsze leczenie oraz wyeliminowanie testów na zwierzętach.
Połączenie dostępnej technologii obrazowania oraz zaawansowanego drukowania przestrzennego stało się idealnym „przewodnikiem” dla pracy chirurgów. Dzięki drukarkom 3D możliwe jest także odtworzenie organu zawierającego nowotwór. Wykorzystując dostępne tworzywa sztuczne oraz różne barwniki jesteśmy w stanie stworzyć ultra-realistyczny obraz narządu dotkniętego nowotworem. Jest to idealny obiekt treningowy, a zarazem edukacyjny dla obecnych i przyszłych chirurgów. Co więcej, umożliwi to szpitalom lepsze podejście do każdej nietypowej, skomplikowanej operacji, oraz pomoże wyeliminować potencjalne błędy.

Z całą pewnością drukowanie 3D i bio-printing zrewolucjonizowało cały świat. Dzięki odkryciom Ch. Hull’a oraz T. Boland’a nastąpił ogromny postęp w każdej dziedzinie naszego życia, w tym medycynie. Chirurdzy są teraz w posiadaniu cennego narzędzia, które mogą wykorzystać do odbudowy i rekonstrukcji tkanek. Wykorzystując dostępne tworzywa, w jeden „moment” mogą zrekonstruować twarz czy kończynę. Ale czy jesteśmy w stanie odtworzyć „żywe” w pełni funkcjonujące ludzkie organy? Zasadniczym celem bio-drukowania stało się stworzenie możliwości drukowania złożonych narządów, takich jak np. nerka czy wątroba, co rozwiązałoby powszechny problem braku dawców narządów. Jednakże zanim narządy skrojone „na miarę” staną się ogólnie dostępne przed naukowcami jest jeszcze sporo pracy. Niemniej jednak, patrząc na dotychczasowy ogromny postęp techniczny oraz rozwój badań naukowych, w tym badań nad komórkami macierzystymi, w niedalekiej przyszłości możliwym będzie wyeliminowanie przeszkód, z którymi obecnie borykają się bioinżynierowie.

 

* Charles Hull (ur. 1939r.) poprzez wynalezienie i wdrożenie do obiegu drukarki 3D znacząco przyczynił się do polepszenia istniejącego świata. Dlatego też od 2014 roku został on wpisany do grona zasłużonych członków The National Inventors Hall of Fame (NIHF) amerykańskiej organizacji skupiającej wynalazców, których odkrycia przyczyniły się do nadzwyczajnego rozwoju badanej dziedziny, oraz świata. W swoim imieniu oraz całej redakcji serdecznie dziękujemy oraz gratulujemy!!

Literatura:

  1. Schubert C1, van Langeveld MC, Donoso LA., Innovations in 3D printing: a 3D overview from optics to organs, Br J Ophthalmol., 2014, 98(2):159-61
  2. Hull C., Apparatus for Production of Three-Dimensional Object by Stereolithography.; US Patent US 4575330 A, 1986 http://www.google.com/patents/US4575330 (strona internetowa) 07.05.2014   
  3. Hoffman T, 3D Printing: What You Need to Know, 2011, PC (strona interetowa) http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2394720,00.asp 07.05.2014   
  4. About 3D Systems, 2014, http://www.3dsystems.com/about-us (strona internetowa), 07.05.2014 
  5. Gilpin L, 3D printing: 10 companies using it in ground-breaking ways, 2014,TechRepublic U.S. (strona internetowa) http://www.techrepublic.com/article/3d-printing-10-companies-using-it-in-ground-breaking-ways/ 07.05.2014
  6. Leckart S, How printing Body Parts will revolutionize Medicine,  Popular Science (czasopismo internetowe) 2013; http://www.popsci.com/science/article/2013-07/how-3-d-printing-body-parts-will-revolutionize-medicine 07.05.2014
  7. Senthilingam M, Artificial eyes, plastic skulls: 3-D printing the human body, 2014, CNN http://edition.cnn.com/2014/04/17/tech/innovation/artificial-eyes-3d-printing-body/index.html?iref=allsearch (strona internetowa), 07.05.2014
  8. Jones N, Science in three dimensions: The print revolution, Nature 2012; 487(7405):22-3
  9. World's First Laboratory-Engineered Organ; http://www.wakehealth.edu/Research/WFIRM/News/World-s-First-Laboratory-Engineered-Organ.htm (strona internetowa) 07.05.2014
  10. Atala A. et al., Tissue-engineered autologous bladders for patients needing cystoplasty; The Lancet, 2006; 367 (9518): 1241 – 1246; 
  11. Rengier F et al, 3D printing based on imaging data: review of medical applications, Int J CARS, 2010, 5:335:341
  12. Zein N. N. et al., Three-dimensional print of a liver for preoperative planning in living donor liver transplantation, Liver Transpl., 2013, 19(12):1304-10
  13. Organovo Announces Pre-Release Availability of 3D Liver Contract Services, http://ir.organovo.com/news/press-releases/press-releases-details/2014/Organovo-Announces-Pre-Release-Availability-of-3D-Liver-Contract-Services/default.aspx 07.05.2014
  14. 3D printing inventor Chuck Hull to be inducted into the National Inventors Hall of Fame; 2014 http://www.3ders.org/articles/20140304-3d-printing-inventor-chuck-hull-to-be-inducted-into-the-national-inventors-hall-of-fame.html (strona internetowa) 07.05.2014

ISSN 1689-7730