Wydrukuj sobie ucho

Tomasz Rożek


GN 03/2015 |

publikacja 15.01.2015 00:15

Dzisiaj brzmi to niepoważnie, ale za kilka, kilkanaście lat trójwymiarowe drukowanie żywych tkanek czy części ciała będzie w medycynie powszechnie wykorzystywane. To całkowicie może zmienić transplantologię. 


Stworzone za pomocą drukarki 3D sztuczne ucho. Do jego wydrukowania naukowcy z Cornell University w Nowym Jorku użyli żelu wykonanego z żywych komórek Lindsay France /Cornell University Photography/Ferrari/east news Stworzone za pomocą drukarki 3D sztuczne ucho. Do jego wydrukowania naukowcy z Cornell University w Nowym Jorku użyli żelu wykonanego z żywych komórek

Drukowanie trójwymiarowe to coś, o czym się mówi od zaledwie kilku lat. Mówi i robi. W „Gościu” kilkanaście miesięcy temu opublikowaliśmy duży artykuł na temat druku w technologii 3D. W największym skrócie polega on na nakładaniu kolejnych warstw tworzywa sztucznego. Tak jak w zwykłej drukarce, tak samo w trójwymiarowej, wszystko zaczyna się od cyfrowego pliku. Proces drukowania wygląda tak jak proces drukowania w drukarce atramentowej. Z tą tylko różnicą, że pod poruszającą się od lewej do prawej głowicą z tuszem przesuwa się kartka papieru, natomiast w przypadku druku 3D nie ma kartki, za to głowica w miarę tworzenia przedmiotu przesuwa się do góry. Nakłada cieniutkie warstwy tworzywa sztucznego jedna na drugą, te natychmiast zastygają, a w tym czasie głowica nieco się unosi, przesuwa się do początku „wydruku” i może nakładać kolejną warstwę. 


Nos, ucho, żuchwa 


W druku 3D wykorzystuje się tworzywo sztuczne. To samo, z którego zrobione są klocki lego. Ale już dzisiaj można drukować także przy użyciu mieszaniny plastiku i drewna czy tworzyw rozpuszczających się w różnych warunkach. Kilkanaście miesięcy temu lekarze w jednym ze szpitali uniwersyteckich w amerykańskim stanie Ohio uratowali życie duszącemu się dziecku. Jego tchawica zapadała się i dwulatek zaczynał się dusić. W beznadziejnej sytuacji postanowiono spróbować trójwymiarowego druku. W bardzo krótkim czasie wydrukowano protezę wadliwie działającej tchawicy i wszczepiono w odpowiednie miejsce. Niemalże natychmiast maluch zaczął normalnie oddychać. Proteza została wydrukowana ze specjalnego rodzaju tworzywa, które powoli się rozpuszcza. Dzięki temu płuca chłopca stopniowo będą przejmowały „inicjatywę”. Po trzech latach nie będzie śladu po plastikowej części tchawicy. To ten przypadek po raz pierwszy pokazał szerszej grupie odbiorców, że druk 3D w medycynie ma ogromną przyszłość. Lekarze i inżynierowie z Ohio umieścili w ciele pacjenta protezę. Protezy takie były dostępne już wcześniej, tym razem jednak zrobiono ją w bardzo krótkim czasie, a jej rozmiar i kształt były dostosowane do konkretnego pacjenta, w tym przypadku dziecka. Bez druku 3D zrobienie takiej protezy trwałoby kilkanaście, a może i kilkadziesiąt godzin. Nie wiadomo, czy tego czasu mały pacjent nie przypłaciłby życiem. Ale druk 3D w medycynie to nie tylko tworzenie protez z innowacyjnych materiałów. Drukować można bowiem przy użyciu substancji, które są szkieletem, rusztowaniem dla żywych komórek. Wykorzystuje się do tego specjalny materiał, który nie jest odrzucany przez ludzki organizm, a równocześnie taki, z którym bardzo chętnie „łączą się” żywe komórki. W ten sposób w 2013 roku „wydrukowano” pokiereszowane czy stracone w wyniku wypadku uszy czy nosy. Jednej z pacjentek w USA wydrukowano i wszczepiono żuchwę. Wielokrotnie drukowano także płytki, które następnie wszczepiano w miejsca, w których pacjent miał uszkodzoną czaszkę. Każdy z takich elementów jest tworzony w sposób indywidualny, ekspresowy i przede wszystkim tani. 


Żyły z drukarki


Niska cena wynika poniekąd z tego, że technologia jest bardzo prosta, i z tego, że cały proces może być przeprowadzony w jednym miejscu, w jednym laboratorium. Ale to nie koniec rozwoju druku 3D w medycynie, to raczej dość nieśmiałe początki. Już dzisiaj próbuje się drukować komórkami macierzystymi całe organy. Jeszcze raz warto podkreślić różnice. Można wydrukować protezę, która pozostanie w organizmie na stałe, albo taką, która po ściśle określonym czasie zostanie wchłonięta. W tym drugim przypadku pacjent zyskuje czas, w którym jego organizm nauczy się sam funkcjonować albo wzmocni się po to, by samemu poradzić sobie z problemem zdrowotnym. Można też wydrukować rusztowanie, na którym zaczepią się żywe komórki. Takie rusztowanie konsystencją przypomina chrząstkę. W zależności od potrzeby może być ona twarda albo miękka. Pozostaje jednak w ciele pacjenta do końca życia. Tak powstają sztuczne uszy czy nosy. W pierwszym kroku albo skanuje się ucho zdrowe i robi identyczne w lustrzanym odbiciu, albo tworzy model trójwymiarowy w komputerze. W odpowiednim programie zaznacza się opcję „drukuj” i po kilku minutach „szkielet ucha” (jakkolwiek dziwnie to brzmi) jest gotowy. Kolejnym krokiem jest wyhodowanie na tej sztucznej chrząstce żywych komórek. Komórek pobranych od człowieka, któremu implant zostanie wszczepiony.

W ten sposób można wydrukować czy wyhodować uszy, nosy czy inne części organizmu, których podstawą jest chrząstka. Ale do stworzenia żył czy całych tkanek potrzeba innej technologii, takiej, która istnieje, choć wciąż jest testowana. Naukowcy z dwóch amerykańskich uczelni (University of Pennsylvania oraz MIT) wydrukowali naczynia krwionośne. Najpierw sieć naczyń krwionośnych została wydrukowana z masy cukrowej. Gdy cukier zastygł (skrystalizował się), na jego powierzchnię naniesiono warstwę specjalnie przygotowanego żelu wymieszanego z żywymi komórkami. Mówiąc bardziej precyzyjnie, drukarka, która drukowała żyły, posiadała dwie głowice. Jedna z nich nanosiła warstwę komórek, a druga specjalny hydrożel bądź kolagen, który pełnił funkcję spoiwa. Gdy ta żywa masa zastygła, cukier rozpuszczono zwykłą wodą. Pozostała sieć naczyń krwionośnych, które „sklejone” były z żywych komórek. – Ta nowa technologia powoduje, że tworzenie żywych tkanek staje się łatwe i szybkie – powiedział Christopher Chen, jeden z badaczy biorących udział w projekcie. 


Totalny kosmos!


Wydrukowana w USA niewielka sieć naczyń krwionośnych nie zostanie wszczepiona człowiekowi. Posłuży naukowcom do badań nowego sposobu tworzenia tkanek. Czy da się wydrukować całą tkankę? Tak. W zeszłym roku podjęto pierwszą próbę. Totalny kosmos! W San Diego w USA prywatna firma Organovo, która specjalizuje się w bio-druku, stworzyła technologię, która umożliwia drukowanie... wątroby. Sprawa jest bardzo ważna, bo każdego dnia umierają setki osób, które nie doczekały przeszczepu jednego z krytycznych organów. Drukowanie całych tkanek jest sporym wyzwaniem. Do każdej komórki – jeżeli tkanka ma być żywa – muszą zostać dostarczone tlen i substancje odżywcze. Drukarka nie może więc nakładać kolejnych warstw żywych komórek, bo pomiędzy nie muszą być wprowadzone naczynia krwionośne. Co więcej w przypadku wątroby mamy do czynienia z wieloma rodzajami komórek. Inżynierowie z firmy Organovo twierdzą, że udało im się te ograniczenia przezwyciężyć i że dzięki drukarce 3D stworzyli żyjący kawałek wątroby o grubości części milimetra. Ten fragment samodzielnie funkcjonował przez kilkadziesiąt dni. Mało? To dopiero pierwsze próby. – Jest zbyt wcześnie, by mówić o konkretnych zastosowaniach badań, które prowadzimy – powiedział Mike Renard, wiceprezes firmy Organovo. Później zaznaczył, że w pierwszym kroku żywe drukowane tkanki będą wykorzystywane do badania nowych leków. 
Czy kiedykolwiek drukowane tkanki będą wszczepiane w ciała chorych ludzi? Nie powinno się zadawać pytania „czy”, tylko „kiedy”. Nawet gdyby w pełni funkcjonalna wątroba istniała już dzisiaj, procedury jej dopuszczenia na rynek mogą trwać nawet kilka lat. Jest jednak o co walczyć. Drukowane organy rozwiązałyby problem transplantacji, ale także zminimalizowałyby, o ile nie zlikwidowały całkowicie, problem odrzuconych przeszczepów. Przecież mięśnie, wątroba, może kiedyś serce czy inne organy powstawałyby z namnożonych komórek pacjenta. 
I jeszcze jedno. W ostatnich miesiącach poprzedniego roku grupie badaczy z amerykańskiego Wake Forest Baptist Medical Center w USA udało się wydrukować warstwę skóry wprost na oczyszczoną ranę pacjenta. Konkretnie chodziło o ranę oparzeniową. Drukarka nakładająca poszczególne warstwy żywych komórek została połączona z laserem, który wpierw skanował uszkodzony obszar skóry. W ten sposób skóra była nakładana tylko tam, gdzie była taka potrzeba. 
Jak będzie wyglądała przyszłość transplantologii? Do czego doprowadzi szybki rozwój biodruku? Na te pytania nie ma na razie odpowiedzi. Nadzieje są ogromne. I słusznie, one napędzają pasje, a uparci pasjonaci zmieniają świat. Niecierpliwym polecam poważniejsze traktowanie filmów czy książek science fiction. W wielu z nich (chociażby w serialu Star Trek) części uszkodzonego ciała były replikowane. Po prostu.