Ludzkie tkanki z drukarki

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda i Harvardzkiej Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych (SEAS) zrobili istotny krok w kierunku wspomagania rozwoju medycyny wydrukami 3D. Chodzi o wytwarzanie skomplikowanych wydruków ludzkich tkanek wraz z wieloma rodzajami komórek i drobnych naczyń krwionośnych. To kolejny krok w stworzeniu całkowicie sztucznych tkanek, o budowie zbliżonej do tkanek ludzkich. Stworzone na drukarce odpowiedniki, mają być na tyle realistyczne, żeby testować na nich działanie i bezpieczeństwo leków. Naukowcy dążą do tego, żeby w dalekiej przyszłości możliwe było także budowanie całkowicie funkcjonalnych części zamiennych dla uszkodzonych lub chorych tkanek. Wydrukowane tkanki pomogą także zrozumieć skomplikowane mechanizmy rządzące m.in. gojeniem się ran, wzrostem naczyń krwionośnych czy rozwojem guzów.

Próby i błędy

Trójwymiarowe biodrukowanie jest możliwe dzięki zastosowaniu projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) i tomografii komputerowej. „To jest kamień milowy dla stworzenia trójwymiarowych żyjących tkanek” – powiedziała dr Jennifer Lewis, współautorka badania, którego wyniki opublikowano 18 lutego br. w dzienniku Advanced Materials. Inżynierowie tkankowi od lat starali się wyhodować w laboratorium ludzkie tkanki naczyniowe na tyle silne, aby mogły służyć jako zamiennik dla zniszczonych tkanek człowieka. Wcześniejsze próby kończyły się niepowodzeniem. Dotychczas udawało się osiągnąć grubość maksymalnie jednej trzeciej dwudziestocentowej monety. Kiedy próbowano wydrukować grubsze warstwy tkanki, komórki wewnętrzne cierpiały na brak tlenu i składników odżywczych, nie potrafiły także usunąć dwutlenku węgla i innych odpadów i w efekcie obumierały. Co sprawiło, ze tym razem się udało?

Sekret tkwi w naczyniach krwionośnych.   

Natura rozwiązuje ten problem wyposażając tkanki w sieć cieniutkich naczyń krwionośnych, które odżywiają tkanki i odbierają z nich produkty przemiany materii. Jennifer Lewis i Davidowi Kolesky’emu, głównemu autorowi badania, udało się odtworzyć tę kluczową funkcję. Technologia 3D wykorzystuje zazwyczaj do drukowania zawiłych struktur obojętne chemicznie materiały takie jak plastik lub metal. Zespół Jennifer Lewis w przeszłości opracował szeroki wachlarz nowatorskich tuszy posiadających właściwości elektryczne i mechaniczne krzepnących w materiale. Właśnie te tusze zapewniają sztucznym tkankom funkcjonalność. Naukowcy przed wydrukowaniem konstrukcji tkankowej muszą najpierw opracować zestaw bio-tuszy, z których jeden zawierał będzie pozakomórkową matrycę (biologiczny materiał, który wiąże komórki w tkankę), a drugi wspomnianą matrycę oraz żyjące tkanki.

Do stworzenia naczyń krwionośnych opracowali trzeci tusz o niezwykłej właściwości – tusz topi się, kiedy temperatura się obniża, a nie podwyższa. To pozwoliło naukowcom wydrukować sieć sprzężonych włókien, które następnie stopiono ochładzając materiał i wyssano płyn. W ten sposób powstała sieć pustych przewodów-naczyń. Zespół z Harvardu przeprowadził testy wyprodukowanych przez siebie tkanek, aby ocenić ich wytrzymałość i uniwersalność. Naukowcy wydrukowali trójwymiarową strukturę przypominającą złożoną tkankę stałą. Kiedy do umieszczonej wewnątrz niej sieci naczyniowej wszczepili ludzkie komórki śródbłonkowe, pokryły się one wyściółką prawdziwych naczyń krwionośnych. Utrzymanie komórek przy życiu to bardzo duże osiągnięcie jeżeli chodzi o drukowanie ludzkich tkanek. „W sytuacji idealnej chcielibyśmy, żeby biologia odegrała możliwie dużą rolę w tym procesie” – powiedziała Lewis.

Badaczka wraz zespołem pracuje obecnie nad stworzeniem trójwymiarowych funkcjonalnych komórek na tyle realistycznych, żeby można było testować na nich bezpieczeństwo i działanie leków. W tym badaniu tkwi potencjał, którego efekty odczujemy natychmiast.