3D βιοεκτυπώσεις ανθρωπίνων ιστών & οργάνων

 

H βιολογική εκτύπωση είναι μια μέθοδος που επιτρέπει την κατασκευή κυτταρικών δομών και ιστών από «βιολογικά μελάνια» που περιέχουν βλαστοκύτταρα. Στοιβάδα τη στοιβάδα, το βιοϋλικό εναποτίθεται για τη δημιουργία δέρματος, ιστού ή ακόμα και οργάνου.

Τα παράγωγα της βιολογικής εκτύπωσης αναπτύσσονται και κάθε νέο επίτευγμα είναι ένα βήμα πιο κοντά στο να αποτελεί μια πλήρως λειτουργική και βιώσιμη βιολογική μονάδα. 

Τα εργαστήρια και τα ερευνητικά κέντρα επιχειρούν την βιολογική εκτύπωση ανθρώπινου ήπατος, νεφρών, καρδιάς, δέρματος, πτερυγίου ωτός. 

Ο στόχος είναι οι «εκτυπώσεις» αυτές να καταστούν κατάλληλες για μεταμόσχευση και να αποτελέσουν βιώσιμες μακροπρόθεσμα λύσεις τονίζει η Αικατερίνη Ν. Τρικκαλινού, MD, PhDc, Παθολόγος μετεκπαιδευθείσα στον Σακχαρώδη Διαβήτη, Επιμελήτρια Διαβητολογικού-Καρδιομεταβολικού Κέντρου Metropolitan Hospital.

Στην πραγματικότητα, αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να επιτρέψει την αντιμετώπιση της έλλειψης δωρητών οργάνων και την καλύτερη μελέτη και κατανόηση ορισμένων ασθενειών. 

Προφανώς χρειάζονται περισσότερες μελέτες και βελτιώσεις προκειμένου να καταστούν βιολογικά πλήρως ενεργά αλλά προς το παρόν μελετώνται πολυάριθμα προγράμματα βιολογικής εκτύπωσης, συμπεριλαμβανομένων τρισδιάστατων τυπωμένων οργάνων και άλλων τμημάτων του ανθρώπινου σώματος.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση καρδιάς

Τον περασμένο Απρίλιο, μια ομάδα Ισραηλινών ερευνητών παρουσίασε μια βιοτυπωμένη καρδιά σε μέγεθος κερασιού. Το όργανο, που αποτελείται από κύτταρα, αιμοφόρα αγγεία, κοιλίες και θαλάμους είναι μια αρχή για την κατασκευή τεχνητής καρδιάς. 

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια υδρογέλη από τον λιπώδη ιστό ασθενούς, προκειμένου να μειώσουν τον κίνδυνο απόρριψης μόλις αυτή η καρδιά μεταμοσχευθεί. Η διαδικασία εκτύπωσής της υπολογίζεται ότι έχει διάρκεια μόνο 3 έως 4 ώρες. 

Η καρδιά δεν είναι μεγαλύτερη από την καρδιά του κουνελιού, αλλά είναι μια ενθαρρυντική αρχή. Παράλληλα, μια αμερικανική εταιρεία κατάφερε να εκτυπώσει μια μικρογραφία ανθρώπινης καρδιάς με κοιλίες και κοιλότητες.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση νεφρού

Το 2011, παρουσιάστηκε για πρώτη φορά ένας τρισδιάστατος βιοτυπωμένος νεφρός. Η ομάδα που τον δημιούργησε, κατάφερε να σχεδιάσει αυτό το όργανο από βλαστικά κύτταρα, μέσα σε επτά ώρες. Ο συγκεκριμένος νεφρός δεν μπόρεσε να «ζήσει» για πολύ, αλλά το γεγονός και μόνο της δημιουργίας του ήταν πολύ ελπιδοφόρο. Από τότε, η προσπάθεια συνεχίστηκε. Στο Χάρβαρντ, για παράδειγμα, οι ερευνητές κατάφεραν να τυπώσουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο ενάγγειου εγγύς εσπειραμένου σωληναρίου για να κατανοήσουν καλύτερα τη δομή και τη λειτουργία του νεφρού.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση κερατοειδούς

Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας εκτιμά ότι 10 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως χρειάζονται χειρουργική επέμβαση για την πρόληψη της τύφλωσης εξαιτίας βλάβης του κερατοειδούς και 4,9 εκατομμύρια ήδη υποφέρουν από πλήρη τύφλωση λόγω ουλών του κερατοειδούς. Το 2019, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Newcastle ανέπτυξαν για πρώτη φορά έναν τρισδιάστατο βιοτυπωμένο κερατοειδή που θα μπορούσε να μεταμοσχευτεί σε άτομα που τον έχουν ανάγκη. Μετά τη μελέτη και τη συλλογή δεδομένων από τα μάτια ενός εθελοντή, οι ερευνητές κατάφεραν να σχεδιάσουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο του κερατοειδούς. Μία από τις πιο μεγάλες δυσκολίες ήταν η χρήση των σωστών υλικών για να επιτευχθεί το κοίλο σχήμα του κερατοειδούς, καθώς και το να βρεθεί ένα μελάνι αρκετά λεπτόρρευστο για να ψεκαστεί μέσα από το ακροφύσιο ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή. Χρησιμοποιώντας μόνο έναν υγιή ανθρώπινο κερατοειδή, μπόρεσαν να εκτυπώσουν 50 τεχνητούς. Μια επαναστατική εξέλιξη στην οφθαλμολογία!

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση ωοθηκών

Τον Μάιο του 2017, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Northwestern ανέπτυξαν μια λύση για γυναίκες με προβλήματα γονιμότητας. Τότε, είχαν καταφέρει να εμφυτεύσουν μια βιοτυπωμένη ωοθήκη σε ένα στείρο ποντίκι. Δύο χρόνια αργότερα, οι ερευνητές σημείωσαν μια πολλά υποσχόμενη πρόοδο. Κατάφεραν να χαρτογραφήσουν τη θέση των δομικών πρωτεϊνών σε μια ωοθήκη χοίρου, γεγονός που τους επέτρεψε να δημιουργήσουν ένα βιομελάνι προκειμένου να δημιουργήσουν τρισδιάστατα τυπωμένες λειτουργικές ωοθήκες για ανθρώπινη χρήση. Επιπλέον, η ομάδα εξήγησε ότι η μεθοδολογία της θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό άλλων τύπων πρωτεϊνών που θα μπορούσαν να διευκολύνουν τη δημιουργία βιομελανιών - υλικών για να δημιουργηθούν άλλα όργανα!

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση ήπατος

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο στη Βραζιλία κατάφεραν να δημιουργήσουν μικροσκοπικές εκδόσεις ανθρώπινου ήπατος από κύτταρα αίματος. Η διαδικασία χρειάστηκε μόνο 90 ημέρες, από τη συλλογή του αίματος του ασθενούς έως την παραγωγή του ιστού. Αυτά τα οργανοειδή του ήπατος, που αναπτύχθηκαν με χρήση τεχνολογιών βιολογικής 3D εκτύπωσης, ενσωματώνουν τις λειτουργίες του συγκεκριμένου οργάνου. Αυτές περιλαμβάνουν την παραγωγή ζωτικών πρωτεϊνών, την αποθήκευση βιταμινών και την έκκριση της χολής. Για να δημιουργήσει τον ιστό του ήπατος, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν εκπληκτικών ιδιοτήτων βιοεκτυπωτή από τους πιο αναγνωρισμένους στον κλάδο.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση αυτιών

Αυτό το πρόγραμμα βιολογικής εκτύπωσης κατέστη δυνατό μέσω της συνεργασίας μεταξύ του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Queensland (QUT) και της Maia Van Mulligan, για να τη βοηθήσει να ξανακερδίσει την ακοή της. Το Ίδρυμα HearSay, που συμμετέχει επίσης στην αποκατάσταση της ακοής του κοριτσιού, δηλώνει ότι το τρισδιάστατο τυπωμένο αυτί είναι πλήρως λειτουργικό και θα επιτρέψει στη Maia να ακούσει ξανά. Το εμφύτευμα αυτιού δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τα κύτταρα χόνδρου της ασθενούς, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο απόρριψής του από τον οργανισμό μόλις εμφυτευτεί. Επιπλέον, αυτός ο τύπος λύσης, η βιολογική εκτύπωση κατά περίπτωση, είναι στην πραγματικότητα λιγότερο ακριβός από άλλους τύπους εναλλακτικών λύσεων.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση παγκρέατος

Το όνειρο και η προσπάθεια μιας ομάδας επιστημόνων από το «Ίδρυμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Επιστήμης» να αναπτύξει ένα λειτουργικό τρισδιάστατο πάγκρεας θα βοηθήσει τους διαβητικούς ασθενείς να αποφύγουν την ένεση ινσουλίνης και να ελαχιστοποιήσουν τον κίνδυνο δευτερογενών επιπλοκών, οι οποίες συχνά οδηγούν στον θάνατο. Για τη βιολογική εκτύπωση, πραγματοποιείται βιοψία του ασθενούς και συγκομιδή βλαστικών κυττάρων. Μετά, τα κύτταρα αυτά μετατρέπονται σε κύτταρα ικανά να παράγουν ινσουλίνη και γλυκαγόνη. Αυτά στη συνέχεια χρησιμοποιούνται ως «βιολογικό μελάνι» για την εκτύπωση του παγκρέατος.

Βιολογική τρισδιάστατη εκτύπωση δέρματος
Η ανάγκη για βιολογικά εκτυπωμένο δέρμα αναπτύσσεται σταθερά: σύμφωνα με το BBC Research, η «αγορά» θα αυξηθεί από 24,7 δισεκατομμύρια δολάρια το 2018 σε 109,9 δισεκατομμύρια δολάρια το 2023. Η start up εταιρεία Poietis έχει αναπτύξει 4D τυπωμένο δέρμα, το οποίο στο μέλλον θα μπορούσε να μεταμοσχευτεί σε θύματα εγκαυμάτων ή δερματικών παθήσεων. Ένα λογισμικό που ονομάζεται Cytocentric CAD έχει αναπτυχθεί ειδικά για τη διαδικασία εκτύπωσης, καθώς έχει σχεδιαστεί για να «απαντήσει» στην πρόκληση της μίμησης του ιστού του σώματος. Πρόκειται για εκτύπωση 4D (με το χρόνο ως 4ης διάσταση), καθώς τα συστατικά ιστών είναι διατεταγμένα με ακρίβεια στο χώρο και υπόκεινται επίσης στη δράση αυτοοργάνωσης των κυττάρων. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαδικασίες αυτοοργάνωσης, είναι δυνατόν να δημιουργηθούν πολύπλοκες δομές ιστών που είναι πολύ κοντά σε αυτές του ανθρώπινου σώματος.

Το τυπωμένο 4D δέρμα δοκιμάζεται κλινικά σε συνεργασία με το Assistance Publique - Hôpitaux de Marseille. Ο μακροπρόθεσμος στόχος του Poietis είναι «η τοποθέτηση ενός βιοεκτυπωτή σε κάθε νοσοκομείο για να επιτρέψει την παραγωγή εξατομικευμένων ιστών και να βελτιώσει τον χρόνο αναμονής των ασθενών που περιμένουν μεταμοσχεύσεις».

«Οι εφαρμογές των εκτυπωτών τριών διαστάσεων ολοένα και αυξάνονται. Είναι σίγουρο ότι στο μέλλον, και μάλιστα πολύ νωρίτερα απ’ όσο φανταζόμαστε, η αντικατάσταση ενός ανθρώπινου ιστού, οργάνου ή ακόμη και ενός μέλους θα είναι υπόθεση ρουτίνας .

Ας περιμένουμε λοιπόν», καταλήγει η κ. Τρικκαλινού «να δούμε τι άλλες εκπλήξεις μας επιφυλάσσει η ιατρική με την αρωγή της τεχνολογίας».