S tiskalnikom do živega tkiva, ne pa še do organov

Živo tkivo raziskovalci zdaj že lahko »natisnejo« s tridimenzionalnim tiskalnikom, ne znajo pa ga še vstaviti v telo.

Objavljeno
25. september 2013 16.51
Silvestra Rogelj Petrič, Znanost
Silvestra Rogelj Petrič, Znanost
Nič manj raziskovalnega vznemirjenja in podjetnosti, kot ga tridimenzionalni tiskalniki podžigajo med tehniki, oblikovalci in iznajdljivimi podjetniki, ne sprožajo na drugem, biološkem polu, zlasti v medicini. Medtem ko pri prvih skoraj ni izdelka, ki ga ne bi poskusili dobiti s tiskanjem plast za plastjo, imajo podobne načrte s temi tiskalniki tudi v medicini. Toda ali je živo celico mogoče natisniti?

Kot kažejo poskusi v številnih laboratorijih po svetu, je odgovor pritrdilen. Da, živo celico je mogoče tiskati – ne na papirju, s pomočjo prahu ali v plastiki, temveč v tekočini ali gelu. Gre za tako imenovano biotiskanje, katerega cilj niso igračke, ampak živo tkivo. Z njim se ukvarjajo marsikje, povsod pa je še v fazi eksperimentiranja.

Prvo oviro, to je, ali je sploh mogoče potisniti celice skozi glavo tiskalnika, ne da bi jih ubili, so marsikje že uspešno premostili. To je sprožilo val navdušenja in še večji val načrtov, kaj storiti zdaj. A navdušenje, ki se je kazalo v številnih objavah in napovedih in ustvarjalo vtis, kot da doba tiskanja organov po naročilu čaka za vogalom, se je zdaj znašlo pred še večjimi ovirami. Kaj storiti s celicami, ki nam jih uspe replicirati s tiskalnikom? Kako jih iz gela premestiti v okolje, kjer naj bi živele in opravljale svojo vlogo, to je v živo tkivo, v organizem?

»Komur je kolikor toliko do verodostojnosti, si ne bo drznil trditi, da bomo v prihodnjih dvajsetih letih sposobni v tridimenzionalnih biotiskalnikih natisniti nove organe,« pravi Brian Derby, raziskovalec z univerze v Manchestru, ki je v članku v reviji Science pripravil pregled stanja na področju biotiskanja.

Po navdušenju sestop v realnost

Po prvem valu navdušenja v preteklih mesecih, ki je trčilo ob kopico ovir, so v zadnjih tednih številni raziskovalci svoje cilje že ustrezno zmanjšali – ne pa opustili. Tako podjetje Organovo iz San Diega v Kaliforniji, ki je razvilo biotiskalnike, zdaj na primer razvija nekakšne trakove z jetrnimi celicami, sestavljene iz kakih dvajsetih plasti celic. Z njimi ne bodo sestavili novih jeter niti zdravili obolelih – jih pa nameravajo ponuditi farmacevtski industriji za testiranje novih zdravil.

Na bolj realno pot so krenili tudi raziskovalci v Nemčiji. Na medicinski fakulteti v Hannovru raziskujejo, kako bi si lahko pomagali z natisnjenimi kožnimi celicami, v nekem drugem nemškem laboratoriju pa proučujejo, kako bi plasti natisnjenih srčnih celic razvili v nekakšne obliže, s katerimi bi lahko blažili škodo, ki jo je srce utrpelo ob srčnem napadu.

Thomas Boland, raziskovalec iz El Pasa v Teksasu, ki je opravil veliko bazičnih raziskav za razvoj tehnologije biotiskanja, je nedavno razvil metodo za tiskanje maščobnega tkiva. Upa, da bi to tkivo morda lahko uporabili za pripravo vsadkov za ženske, ki so jim odstranili tumor na dojkah. Sicer pa je prepričan, da utegne biti biotiskanje velika priložnost za razvoj regenerativne medicine.

V ta krog sodi tudi dr. Darryl D'Lima, vodja laboratorija za ortopedske raziskave na Scrippsovi kliniki v San Diegu. Trenutno je edini, ki mu je uspelo s tiskalnikom ustvariti nekakšen biološki umetni hrustanec v kravjem tkivu. Na starem brizgalnem tiskalniku, ki ga je ustrezno predelal, je natisnil plast za plastjo gela z živimi celicami. Natisnil pa je tudi hrustanec v tkivu, ki ga je pred tem pri operaciji odstranil pacientom, ki so jim vstavili umetno koleno.

Je hrustanec prvi kandidat za tiskano tkivo?

Preden bi se lahko podal na pot uresničenja svoje vizije – ta s tiskalnikom v operacijski sobi, ki bi tiskal nov hrustanec neposredno v pacientovo koleno, spominja na znanstveno fantastiko – pa bodo dr. D'Lima in drugi s podobnimi načrti morali prebroditi številne ovire, od pridobitve dovoljenj za potrebne klinične študije do najbolj bistvene, to je izpopolnitve samega postopka.

Dr. D'Lima priznava, da je njegov načrt o tiskalniku hrustanca oziroma o tiskalnikovi glavi, nameščeni na konico robotske roke za natančno pozicioniranje, za zdaj verjetno bližje sanjam kot resničnosti. Vendar pa je prepričan, da je v primerjavi z drugimi načrti za biotiskanje bolj verjetno uresničljiv v ne preveč oddaljeni prihodnosti.

»Načrti o tiskanju celega srca ali mehurja zvenijo nadvse vznemirljivo. A hrustanec je morda tisti sadež na drevesu tiskanih tkiv, ki bo biotiskanju prvi odprl vrata klinik,« meni.

Razlogov za tako mnenje je več. Glavni je dejstvo, da je hrustanec v več pogledih enostavnejši od ostalih tkiv. Njegove celice so razporejene v matrici vlaknastega kolagena in drugih sestavin, ki jih izločajo celice. Te celice, imenovane hondrociti, ne potrebujejo kaj prida hrane, kar močno poenostavi proces tiskanja. Vzdrževati prehranjevanje tiskanega tkiva in ga s tem ohranjati živega, je namreč zdaj eden največjih izzivov za raziskovalce. Večina celic mora biti v neposredni bližini vira hrane, za kar narava poskrbi z razvejenim sistemom kapilar. Izredno težko, če ne celo nemogoče pa se zdi, da bi ga posnemali tudi v tiskanem tkivu.

Dr. Boland je na primer v tiskano tkivo maščevja vgradil kanale in jih obrobil s celicami iz vrst takih, ki obstajajo v krvnih žilah. »Ko je natisnjeno maščobno tkivo vsajeno, se te cevčice začnejo obnašati kot mikrokrvne žilice,« pojasnjuje dr. Boland. Po njegovih ugotovitvah telo naravno proizvaja kemijske signale, ki sprožijo rast malih krvnih žilic v vsadek. Problem je le, da to poteka zelo počasi. Boland pa pričakuje, da bo v tiskanem maščevju potekalo hitreje in tako ohranjalo tkivo živo.

D'Lima s tiskanim hrustancem nima teh skrbi. Hondrociti tisto malo hrane, kolikor je potrebujejo, dobijo z razpršitvijo hranil v ovojnici sklepa in kosti, k čemur pripomore tudi pritisk na hrustanec ob gibanju sklepa. Prav tako nima skrbi z živci, saj jih v hrustancu ni. Kljub temu pa ima obilico drugih. Čeprav gre pri hrustancu v kolenu ali kolku za tkivo, tanjše od 5 milimetrov, pa plasti kolagena in drugega vlaknastega gradiva v njem, usmerjenega v različne smeri, sestavljajo zapleteno strukturo.

»Pri tiskanju moramo pri vsaki plasti upoštevati spremembe. Večina tiskalnikov spreminja le obliko. Mi pa spreminjamo poleg oblike še kompozicijo, tip celic in celo njihovo usmeritev,« pojasnjuje dr. D'Lima. V ortopediji raziskuje že dolgo. Njegovo delo je tako imenovano elektronsko koleno – to je s senzorji opremljena kolenska proteza, ki je raziskovalcem dala vrsto koristnih podatkov o silah, ki delujejo na koleno. Tudi sicer dobro ve, kakšno je stanje raziskav in dosežkov v zvezi z možnostjo popravkov poškodovanega ali obrabljenega hrustanca. »Naš namen ni gojiti tkivo v laboratoriju in nato iskati pot, kako ga presaditi v telo,« pojasnjuje D'Lima, »Želimo ga tiskati neposredno tja, kamor sodi, to je v telo oziroma v sklep.«

Kot tek čez ovire

Prav zato se je odločil za uporabo termalnega brizgalnega tiskalnika, pri katerem so drobni kanalčki s črnilom ogrevani tako, da se tvori mehurček pare, ki potisne ven kapljico črnila. Tehnologija je zelo zanesljiva in jo uporablja večina običajnih tiskalnikov. Vendar pa je raziskovalce skrbelo, da ne bi toplota, ki nastaja pri tiskanju, ko črnilo nadomestijo celice, teh ubila. Tu so jim prišle prav ugotovitve iz raziskav dr. Bolanda, pa tudi raziskovalcev univerze Clemson v Južni Karolini, da so toplotni impulzi tako hitri in kratki, da jih večina celic preživi.

Toda dr. D'Lima se je znašel pred novo težavo: najnovejši termalni brizgalni tiskalniki so bili preveč zapleteni za njihovo delo. Tiskajo namreč v zelo visoki resoluciji, zato so razpršilniki črnila in barv zelo drobni – predrobni, da bi se skoznje prerinile cele celice. D'Lima je rešitev našel med starimi, opuščenimi tiskalniki, in sicer Hewlett-Packardov model deskjet 500 iz 90. let, ki ima večje razpršilne odprtine. Toda naprava je že tako zastarela, da zanjo ni bilo več mogoče dobiti kartuš; po daljšem iskanju so jih končno nekaj našli na Kitajskem.

Zamislili so si, da bi črnilo v kartušah zamenjali z mešanico za izdelavo hrustanca, ki jo sestavljajo hondrociti in tekočina, imenovana PEG-DMA. Toda tudi tu se niso mogli izogniti novi težavi: celice so se v tekočini posedle na tiskalne odprtine in jih zamašile. Torej so se morali domisliti, kako mešanico neprestano mešati, da se to ne bi zgodilo. Ta je morala biti v tekočem stanju, da jo je bilo mogoče uporabiti za tiskanje, ko pa je bila natisnjena, je morala biti v obliki gela, sicer bi bil končni izdelek zgolj nekakšna vodena zmes. Nujni »prevod« v gel je omogočila sama tekočina PEG-DMA, ki se pod vplivom ultravijolične svetlobe spremeni v želatinasto obliko. Vendar pa je morala biti površina za tiskanje nenehno izpostavljena ultravijolični svetlobi, ki je med tiskanjem vsako kapljico spremenila v želatinasto snov.

Ostaja še vrsta težav

Tako zdaj tiskajo hrustanec, a to še ne pomeni uspeha. Še vedno proučujejo druge materiale, ki bi omogočili želatinasto stanje. Tekočina PEG-DMA, čeprav biorazgradljiva in z uporabnim dovoljenjem ameriške uprave za hrano in zdravila, namreč ni idealna za njihov namen, saj bi ostala v telesu in tam utegnila povzročiti vnetje. Zato zdaj iščejo snov, ki bi se sčasoma razgradila. Tako bi lahko tiskano tkivo oblikovali tako, da bi se razgrajevalo hkrati z nastajanjem naravne matrice.

Ostaja pa še vrsta težav, skupaj z osnovno – kako dobiti dovolj prave vrste celic za tiskanje. Da bi uporabili pacientove lastne hrustančne celice, ki jih ima že tako premalo, ne bi bilo smiselno. Zato zdaj raziskujejo, ali bi lahko uporabili matične celice kot predhodnice hondrocitov. Proučujejo pa tudi druge tehnologije, ki bi jih utegnili uporabiti v kombinaciji z biotiskanjem. Toda največja težava je še vedno zakonodaja – četudi bodo brez težav tiskali hrustanec in našli še način, kako ga vsaditi v sklep, bodo morali dobiti ustrezna dovoljenja, pred tem pa seveda dokazati ameriški upravi za hrano in zdravila, da je takšno početje varno, neškodljivo in za zdravje koristno.

»Smo previdno optimistični,« to težavo komentira D'Lima.