Żywe druki

W sterylnej, szklanej kapsule precyzyjne ruchy ramienia robota zaczynają odtwarzać wszystkie tkanki i narządy młodej kobiety. Warstwa po warstwie maszyna buduje jej ciało. Po skończonej procedurze dziewczyna budzi się do życia. To scena z filmu Luca Bessona „Piąty element” z 1997 r. Jak daleko jesteśmy od tej fantastycznej wizji i czy drukowanie narządów to tylko idea z dzieł science fiction?

Codziennie na całym świecie rosną listy oczekujących na przeszczepienie organów. W samych Stanach Zjednoczonych co 10 minut nowa osoba dodawana jest do tej kolejki, a średnio 22 potrzebujących umrze, nie doczekując się na dawcę. Nawet jeśli do przeszczepienia już dojdzie, mogą wystąpić powikłania i organizm może odrzucić nowy organ. Jeśli jednak wszystko się powiedzie, pacjent skazany jest na przyjmowanie do końca życia leków immunosupresyjnych, które hamują aktywność układu odpornościowego, co często odbija się na długości życia.

Jednym z pomysłów na pozbycie się długich list oczekujących na nowe organy jest wytworzenie ich w laboratorium. Naukowcy starają się pobrać odpowiednie komórki z ciała pacjenta i z ich pomocą odtworzyć narząd, lub jego część, który można by wszczepić z powrotem do ciała dawcy komórek. Jak tego dokonać?

Na pomysł hodowania żywych komórek poza ludzkim organizmem wpadł amerykański lekarz Leo Loeb w 1897 r. Od tamtych czasów technologia ta przeszła długą drogę. Hodowanie ludzkich komórek w laboratorium stało się jednym z podstawowych narzędzi w badaniach nad naszym organizmem. Dzięki niemu możemy poznawać lepiej nasze ciało, jego choroby, a także wykorzystywać hodowane komórki w celach terapeutycznych. Wciąż jednak pozostaje wiele do osiągniecia w tej dziedzinie.
Standardowa hodowla komórek w laboratorium polega na pobraniu materiału biologicznego od pacjenta, a następnie umieszczeniu wyizolowanych komórek (np. skóry) na płaskiej, plastikowej powierzchni specjalnego naczynia hodowlanego, które wypełnione jest odżywczym płynem. Naczynie to umieszcza się w inkubatorze, który utrzymuje odpowiednią temperaturę i atmosferę. Po pewnym czasie komórki przyczepią się do plastiku i uformują cienką, dwuwymiarową warstwę. Ten ogólny zarys hodowli komórek w laboratorium nie zmienił się od ponad 50 lat. Z jednej strony system ten umożliwił nam wiele odkryć, z drugiej zaś – jest nazbyt uproszczony i przestaje wystarczać, by osiągnąć kolejne naukowe cele.

Trzeci wymiar

W żywych tkankach i narządach istotną rolę odgrywa aspekt przestrzenny. Każdy organ jest zbudowany w ściśle określony sposób i jego architektura ma tu ogromne znaczenie. Rodzaj komórek, które go budują, ich położenie w przestrzeni, rodzaj materiału, który tworzy wspierające rusztowanie – to kwestie, w obliczu których standardowa dwuwymiarowa hodowla komórkowa przestaje być wystarczająca.

Powstało wiele technik, które mogłyby pomóc w odtworzeniu trójwymiarowych tkanek – większość z nich jednak jest bardzo skomplikowana lub ma ograniczone możliwości. Inspiracja do rozwiązania wielu z tych problemów przyszła z technologii szybkiego prototypowania wykorzystywanego w przemyśle.

W 1986 r. Charles Hull opatentował proces stereolitografii, który umożliwił drukowanie obiektów przestrzennych. Pomysł Hulla opierał się na wykorzystaniu specjalnego światłoczułego płynu, który twardnieje podczas kontaktu z wiązką lasera o odpowiedniej mocy. Laser warstwa po warstwie obrysowuje kształt drukowanego obiektu, przybierającego w ten sposób trójwymiarową formę. Dało to początek nowej gałęzi technologii, która ponad 500 lat po śmierci Gutenberga wprowadziła nowy wymiar do druku.

Początkowo zarezerwowane dla dużych firm, drukarki 3D trafiły w końcu pod strzechy. Stało się to głównie za sprawą projektu RepRap, który w 2008 r. zaowocował stworzeniem pierwszego urządzenia będącego w stanie wyprodukować większość swoich własnych części – a możliwość samoreplikacji drastycznie obniżyła ceny. Dzisiejsze drukarki potrafią drukować między innymi przy użyciu metalu, plastiku, żywicy, betonu czy czekolady. Możemy wydrukować części silników samolotów, całe domy, spersonalizowane obuwie czy wymyślne desery o niespotykanych kształtach.

Drukarki w szpitalach

Nowa technologia zdobyła też zainteresowanie naukowców i lekarzy. Druk 3D udało się zastosować bezpośrednio w medycynie w tworzeniu protez czy modeli anatomicznych.

Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto przy współpracy z firmą Autodesk wydrukowali części protez nóg dla potrzebujących w Ugandzie. Ta sama technologia umożliwiła wydrukowanie implantów kości czaszki, kręgosłupa i wielu innych.

Standardowe materiały, takie jak plastik czy metal, nie były jednak odpowiednie do zastosowań w inżynierii tkankowej – zaistniała potrzeba maszyn, które mogłyby drukować materiałami przyjaznymi dla komórek, a także samymi żywymi komórkami. W 2002 r. naukowcy z uniwersytetów w Pizie i San Diego wspólnie stworzyli biodrukarkę 3D. Zamiast drukować przy użyciu plastikowego wkładu, wyposażona ona była w strzykawkę, w której można umieścić dowolny biomateriał, a następnie wyciskać przez cienką głowicę w kontrolowany sposób we wszystkich trzech wymiarach.

Sam biomateriał znajdujący się w strzykawce, zwany też biotuszem, może przybierać różną formę. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele biotuszy pochodzenia syntetycznego i naturalnego, różniących się właściwościami biologicznymi i mechanicznymi. Taki materiał, będący materią nieożywioną stanowiącą rusztowanie, można zmieszać z żywymi komórkami pobranymi od pacjenta, a następnie drukować uproszczone modele tkanek wykazujące normalne funkcje biologiczne.

Ta początkowo niszowa technologia powoli zaczęła przeradzać się w komercyjny produkt. Prawdziwy przełom na rynku nastąpił, gdy start-up ze Stanów Zjednoczonych – BioBots – zaprezentował światu swój pierwszy produkt: biodrukarkę 3D za zaledwie kilka tysięcy dolarów. Dało to szeroki dostęp do tej przełomowej technologii licznym laboratoriom na całym świecie. Drukowanie żywych tkanek przestało być jedynie wizją z filmów science fiction.

Aktualnie technologia ta jest rozwijana i wykorzystywana przez wiele grup badawczych. Standardowe, dwuwymiarowe hodowle komórek mogą być zastępowane bardziej wyszukanymi i bliższymi rzeczywistości trójwymiarowymi odpowiednikami. Otwiera to drzwi do wielu zastosowań. Pierwszym z nich jest tworzenie miniaturowych modeli organów i tkanek, które mogą być wykorzystane w celach badawczych.

Kosmiczna technologia

Wybitny fizyk, noblista, Richard Feynman, powiedział kiedyś, że nie może zrozumieć tego, czego nie potrafi zbudować.

Zbudowanie uproszczonych organów w laboratorium z wykorzystaniem druku przestrzennego pozwoli nam poznać je dużo lepiej i wykorzystywać w wielu badaniach. Komórki pobrane od pacjentów użyte do druku dadzą nam dostęp do modeli ludzkich tkanek, które potencjalnie będą odzwierciedlały rzeczywistość lepiej niż modele oparte na szczurach czy myszach. Co więcej, jeśli komórki zostaną pobrane od chorego pacjenta, możliwe stanie się wydrukowanie tkanki symulującej daną chorobę, a to znacznie ułatwi poszukiwanie odpowiednich leków. Firma Organovo, odpowiedzialna za pierwszą komercyjną biodrukarkę 3D, aktualnie oferuje w swoim portfolio miniaturowe modele tkanek wątroby i nerek, które mogą być wykorzystane właśnie w tym celu. Może to nie tylko przyspieszyć badania kliniczne, ale także zmniejszyć w tym procesie użycie zwierząt laboratoryjnych.

Drukowanie całych organów w celu przeszczepienia to kolejne potencjalne zastosowanie tej technologii. Korzystając z technik obrazowania, takich jak rezonans magnetyczny, można zeskanować narządy wewnętrzne pacjenta i stworzyć komputerowy model 3D danego organu, który będzie idealnie dopasowany do potrzeb biorcy. Wykorzystanie własnych komórek pacjenta do wydruku takiej „części zamiennej” pozwoli także uniknąć problemów z ewentualnym odrzuceniem przeszczepu – organizm rozpozna przeszczep jako własny materiał biologiczny. Perspektywa wydruku organów na żądanie jest jeszcze odległa, ale niektóre laboratoria prowadzą intensywne badania w tym właśnie kierunku. Jesteśmy bliżej takich rozwiązań w przypadku niektórych mniej skomplikowanych tkanek czy organów. Technicznie najłatwiejsze jest stworzenie płaskich struktur, takich jak skóra. Dalej w kolejce są naczynia krwionośne, narządy puste w środku, takie jak pęcherz moczowy, a na końcu najbardziej złożone organy – takie jak serce, wątroba czy mózg. Naukowcy z Wake Forest University z powodzeniem testowali już druk skóry, która została wykorzystana eksperymentalnie na myszach w celu leczenia ran. W ramach testów laboratoryjnych wszczepiono także wydrukowane naczynia krwionośne małpom.

Pomysł drukowania organów może się przydać nie tylko na Ziemi. Agencja kosmiczna NASA zainteresowała się tą metodą, ponieważ mogłaby ona pomóc astronautom podczas długich lotów międzyplanetarnych. Bez dostępu do szpitala i dawców narządów załoga statku kosmicznego w obliczu poważnego uszczerbku na zdrowiu mogłaby otrzymać pliki modelu 3D potrzebnego organu, a następnie wydrukować go bezpośrednio na pokładzie. Trwają testy specjalnej biodrukarki, która może działać na statku kosmicznym, w warunkach mikrograwitacji.

Nawet mózgi

Tkanki i narządy stworzone przy pomocy druku 3D nie będą zatem jedynie sztucznym, geometrycznym modelem ich naturalnych odpowiedników. Fuzja technologii inżynieryjnej i nieożywionych materiałów pomocniczych z żywymi komórkami w rezultacie zaowocuje materią w pełni ożywioną, która jest w stanie przeprowadzać procesy biologiczne dokładnie takie same jak te, które zachodzą w naszym organizmie. Ważnym aspektem materii ożywionej jest także organizacja podstawowych cząstek w struktury wyższego rzędu. Na poziomie molekularnym ten proces sprawia, że atomy składają się w nieożywione cząsteczki białek czy DNA, zapewniając strukturę, nośnik informacji i biologiczną maszynerię, by mogła powstać działająca komórka. Druk 3D może zapewnić wyższy rząd organizacji już ożywionych komórek w struktury, w których komórki te będą mogły się ze sobą komunikować i wykonywać zadania, do których zostały biologicznie zaprogramowane.

Jeśli zatem miniaturowa wątroba czy nerka jest w stanie naśladować nasze własne organy w sztucznych warunkach laboratoryjnych, co z naszym najbardziej skomplikowanym narządem, czyli mózgiem? Kilka grup badawczych jest zainteresowanych stworzeniem drukowanego w trzech wymiarach modelu tkanki nerwowej. Poziom skomplikowania struktury mózgu, mnogość rodzajów komórek go budujących i trudności z ich hodowlą znacznie utrudniają ten proces. Jednak pojawiają się już pierwsze doniesienia o wydrukowaniu przestrzennych, uproszczonych modeli tkanki nerwowej z użyciem komórek myszy. Komórki te w odpowiednich warunkach mogą generować impulsy elektryczne, dzięki którym komunikują się między sobą i przesyłają informacje. Stąd jeszcze długa droga, by w sztucznej tkance zrodziła się myśl, która na poziomie biologicznym jest kombinacją impulsów elektrochemicznych, ale te uproszczone funkcje fizjologiczne mogą nas wiele nauczyć o tym, jak funkcjonuje nasz mózg i jak go uleczyć, kiedy coś pójdzie nie tak.

Podobne struktury mogą zostać w przyszłości wykorzystane, by zaprzęgnąć moc obliczeniową naszych neuronów do pracy w biologicznych komputerach. Powstała firma, która chce wykorzystać komórki nerwowe w połączeniu z elektronicznymi chipami. W tym wypadku fuzja materii nieożywionej z żywymi strukturami biologicznymi może nam przynieść superkomputery o niespotykanej dotąd wydajności i być może początki faktycznej sztucznej inteligencji. Zapewne czekają nas rozważania i dyskusje, czy neuronowo-krzemowe chipy są bardziej żywe niż standardowa elektronika – i co z tego wynika chociażby dla prawa.

Potencjalne zastosowania druku organów nie kończą się zatem tylko na medycynie regeneracyjnej. Jeśli w przyszłości będziemy mogli odtworzyć dany organ, będziemy o krok od jego ulepszenia właśnie poprzez połączenie biologii z technologią i elektroniką. Bioniczne narządy mogą prześcignąć swoją funkcjonalnością te wykształcone przez miliony lat ewolucji. Pierwsze kroki w tym kierunku poczynione na Uniwersytecie Princeton zaowocowały wydrukowanym uchem złożonym z żywych komórek tkanki chrzęstnej połączonych z anteną, która jest w stanie odbierać sygnały fal radiowych.

Przed nami jeszcze wiele wyzwań, zanim pierwszy pacjent otrzyma biologiczną, wydrukowaną część zamienną. Musimy pokonać ograniczenia technologii i biologii samej w sobie, ale należy pamiętać, że zaledwie kilkanaście lat temu nie dysponowaliśmy żadnym sprzętem tego typu, więc kto wie, co wkrótce stworzymy przez prostą komendę: „Plik, drukuj”. ©

JAKUB LEWICKI jest doktorantem na Wydziale Neurobiologii w Karolinska Institutet w Sztokholmie, zajmuje się trójwymiarowym biodrukiem układu nerwowego. Finalista FameLab 2016, członek programu „Rzecznicy nauki” organizowanego przez Centrum Nauki Kopernik.