Τα 3D εκτυπωμένα όργανα μπορεί σύντομα να γίνουν η νέα μας πραγματικότητα

της Carolyn Barber

Πριν από ένα χρόνο, στο Σαν Αντόνιο του Τέξας, ο Δρ. Arturo Bonilla εμφύτευσε προσεκτικά ένα εξωτερικό αυτί σε μια 20χρονη γυναίκα που γεννήθηκε χωρίς αυτί. Το αυτί στη δεξιά πλευρά της γυναίκας είχε κατασκευαστεί στο ίδιο μέγεθος και σχήμα με αυτό του αριστερού της αυτιού.

Για τον Bonilla, έναν χειρουργό μικρωτίας (γιατρό που θεραπεύει γενετικές ανωμαλίες του αυτιού) για περισσότερα από 25 χρόνια και αναγνωρισμένο ειδικό στον τομέα του, μια τέτοια διαδικασία θα ήταν κανονικά ρουτίνα. Αλλά αυτή η υπόθεση είχε μια ανατροπή: Για πρώτη φορά, το αυτί που εμφύτευε ήταν προϊόν ενός τρισδιάστατου βιοεκτυπωτή που χρησιμοποιούσε τα κύτταρα χόνδρου της ίδιας της γυναίκας.

Η διαδικασία εμφύτευσης, μου είπε ο Bonilla, ήταν «πολύ ομαλή». Αυτό είναι μια τεράστια απλούστευση, λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα του εγχειρήματος.

Από τη σφαίρα της σχεδόν επιστημονικής φαντασίας μέχρι την απαρχή μιας ιδέας στην πραγματική επιστήμη, η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση προχωρά σε όλες τις πτυχές της ιατρικής έρευνας – και, τώρα, της πρακτικής. Ο ρυθμός είναι αργός και οι ημερομηνίες-στόχοι για μερικά από τα πιο φιλόδοξα τρισδιάστατα σχέδια απέχουν δεκαετίες. Αλλά η πρόοδος είναι πραγματική.

«Νομίζω ότι σε 10 χρόνια θα έχουμε όργανα για μεταμόσχευση», δηλώνει ο καθηγητής Tal Dvir, διευθυντής μηχανικής ιστών και αναγεννητικής ιατρικής στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ. «Θα ξεκινήσουμε με απλά όργανα όπως το δέρμα και ο χόνδρος, αλλά μετά θα προχωρήσουμε σε πιο περίπλοκους ιστούς – τελικά την καρδιά, το συκώτι, τα νεφρά».

Ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, αλλά συμβαίνει ήδη. Πολυστρωματικό δέρμα, οστά, μυϊκές δομές, αιμοφόρα αγγεία, ιστός αμφιβληστροειδούς και ακόμη και μίνι όργανα έχουν εκτυπωθεί σε 3D. Αν και κανένα από τα εκτυπωμένα προϊόντα δεν έχει εγκριθεί ακόμη για ανθρώπινη χρήση, ο αγώνας στο επιστημονικό χρονοδιάγραμμα κόβει την ανάσα – και η επέμβαση μεταμόσχευσης αυτιού του Bonilla, το πρώτο 3D βιοεκτυπωμένο όργανο από ζωντανά κύτταρα που εμφυτεύεται σε άνθρωπο, σηματοδοτεί μια σημαντική στιγμή σε αυτή την εξέλιξη.

Ερευνητές στην Πολωνία βιοεκτύπωσαν ένα λειτουργικό πρωτότυπο παγκρέατος στο οποίο επιτεύχθηκε σταθερή ροή αίματος σε χοίρους κατά τη διάρκεια μιας παρατηρούμενης περιόδου δύο εβδομάδων, σύμφωνα με τον Δρ. Michal Wszola, δημιουργό του πρότζεκτ Bionic Pancreas. Η United Therapeutics Corporation εκτύπωσε τρισδιάστατα ένα ικρίωμα ανθρώπινου πνεύμονα με 4.000 χιλιόμετρα τριχοειδών αγγείων και 200 εκατομμύρια κυψελίδες (μικροσκοπικοί αερόσακοι) που είναι ικανές να ανταλλάσσουν οξυγόνο σε ζωικά μοντέλα – ένα κρίσιμο βήμα προς τη δημιουργία ανεκτών, μεταμοσχεύσιμων ανθρώπινων πνευμόνων με στόχο την έγκριση για δοκιμές σε ανθρώπους εντός πέντε ετών.

Στο Πανεπιστημιακό Ινστιτούτο Αναγεννητικής Ιατρικής του Wake Forest, επιστήμονες ανέπτυξαν ένα κινητό σύστημα βιοεκτύπωσης δέρματος. Στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον, προβλέπουν ότι θα είναι σε θέση να μεταφέρουν τον εκτυπωτή στο κρεβάτι ενός ασθενούς που υποφέρει από μια πληγή που δεν επουλώνεται, όπως ένα έγκαυμα, και στη συνέχεια να σαρώνουν και να μετρούν την περιοχή του τραύματος και το δέρμα της 3D εκτύπωσης, στρώση ανά στρώση, απευθείας στην επιφάνεια του τραύματος. Και έχουν προχωρήσει βαθύτερα, με τρισδιάστατη εκτύπωση σε κατασκευές σκελετικών μυών που έχει αποδειχθεί ότι συστέλλονται (όταν δοκιμάστηκαν σε τρωκτικά) και που ανακτούν περισσότερο από το 80% της μυϊκής λειτουργίας που είχε χαθεί προηγουμένως (σε έναν μπροστινό μυ του ποδιού) μέσα σε οκτώ εβδομάδες.

Το εργαστήριο του ίδιου του Dvir δημιούργησε μια τρισδιάστατη εκτυπωμένη καρδιά «μεγέθους κουνελιού», όπως το θέτει, γεμάτη με κύτταρα, θαλάμους, τα κύρια αιμοφόρα αγγεία και έναν καρδιακό παλμό. Οι ανθρώπινες καρδιές πλήρους κλίμακας, σημειώνει ο καθηγητής, απαιτούν την ίδια βασική τεχνολογία, αν και η διαδικασία της κλιμάκωσης είναι εξαιρετικά περίπλοκη. «Τώρα εργαζόμαστε στα κύτταρα βηματοδότη, στα κολπικά κύτταρα, στα κοιλιακά κύτταρα», λέει ο Dvir. «Αλλά είμαστε αισιόδοξοι. Πιστεύω ότι αυτό είναι το μέλλον».

Η ικανότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης ανθρώπινων οργάνων είναι μια εκπληκτική ιδέα. Σχεδόν 106.000 Αμερικανοί βρίσκονται επί του παρόντος σε λίστες αναμονής για δωρεές οργάνων και 17 πεθαίνουν κάθε μέρα ενώ περιμένουν, σύμφωνα με την ομοσπονδιακή Υπηρεσία Πόρων και Υπηρεσιών Υγείας. Μια διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης που χρησιμοποιεί τα κύτταρα του ίδιου του ασθενούς για την ανάπτυξη οργάνων όχι μόνο θα περιόριζε δυνητικά αυτή τη λίστα αναμονής, αλλά θα μείωνε δραματικά τις πιθανότητες απόρριψης του μοσχεύματος και πιθανώς θα εξαλείψει την ανάγκη για ισόβια ανοσοκατασταλτική φαρμακευτική αγωγή.

«Η ικανότητα τοποθέτησης διαφορετικών τύπων κυττάρων σε ακριβείς τοποθεσίες για τη δημιουργία ενός πολύπλοκου ιστού και η ικανότητα ενσωμάτωσης αιμοφόρων αγγείων που μπορούν να παρέχουν το απαραίτητο οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά για να κρατήσουν τα κύτταρα ζωντανά, είναι δύο τεχνικές (3D) που φέρνουν επανάσταση στη μηχανική ιστών», λέει ο Mark Skylar-Scott, επίκουρος καθηγητής στο τμήμα βιομηχανικής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. «Το πεδίο έχει εξελιχθεί πολύ γρήγορα τις τελευταίες δύο δεκαετίες, από τυπωμένες κύστεις σε ιστούς τώρα υψηλής κυψέλης με αγγεία που μπορούν να συνδεθούν με αντλία – και πολύπλοκα τρισδιάστατα μοντέλα που μοιάζουν με εξαρτήματα καρδιάς με ενσωματωμένα καρδιακά κύτταρα».

Στην τρισδιάστατη βιοεκτύπωση, το μυστικό είναι τα κύτταρα. Η διαδικασία ξεκινά με τη δημιουργία των κυττάρων που θέλουν να βιοεκτυπώσουν οι ερευνητές, τα οποία στη συνέχεια λαμβάνουν οδηγίες προκειμένου να γίνουν τύποι κυττάρων συγκεκριμένου οργάνου. Στη συνέχεια, τα κύτταρα μετατρέπονται σε εκτυπώσιμο ζωντανό μελάνι, ή βιομελάνη, που περιλαμβάνει την ανάμειξή τους με υλικά όπως η ζελατίνη ή το αλγινικό για να τους δώσει μια υφή σαν οδοντόκρεμα. Το εργαστήριο του Στάνφορντ μελετά πώς τα βλαστοκύτταρα θα μπορούσαν φυσικά να σχηματίσουν μια τέτοια δομή εάν στριμωχτούν μεταξύ τους σε υψηλή πυκνότητα, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε 3D εκτυπωμένα όργανα που κατασκευάζονται αυστηρά από τα κύτταρα του ίδιου του ασθενούς.

Η βιομελάνη εγχέεται σε σύριγγες και συμπιέζεται από ένα ακροφύσιο «σαν γλάσο σε ένα κέικ», λέει ο Skylar-Scott. Αυτή είναι η πραγματική διαδικασία τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης και συνήθως περιλαμβάνει την τοποθέτηση διαφορετικών τύπων κυψελών, ο καθένας φορτωμένος σε διαφορετικό ακροφύσιο (Ο Dvir λέει ότι η μίνι καρδιά χρειάστηκε περίπου τέσσερις ώρες για να εκτυπωθεί). Μόλις τελειώσει, ο ιστός συνδέεται μερικές φορές με μια αντλία που διοχετεύει οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά μέσω αυτού. Με το χρόνο, ο ιστός αναπτύσσεται μόνος του και αυξάνεται τόσο σε ωριμότητα όσο και σε λειτουργία.

Αυτή η γενική διαδικασία, αν και δραματικά υπεραπλουστευμένη εδώ, είναι που οδήγησε στην παραγωγή του εξωτερικού μέρους του αυτιού που εμφύτευσε ο Arturo Bonilla στον ασθενή του στο Τέξας. Στις περισσότερες προηγούμενες χειρουργικές επεμβάσεις μικρωτίας, ο Bonilla θα είχε σκαλίσει ένα νέο αυτί από χόνδρο που θα είχε ληφθεί από τα πλευρά του ασθενούς. Αντίθετα, πραγματοποιήθηκε μια μικρή βιοψία στο άλλο αυτί του ασθενούς και τα κύτταρα χόνδρου που ελήφθησαν από τη βιοψία αναπτύχθηκαν σε δισεκατομμύρια κύτταρα, τα οποία εκτυπώθηκαν σε 3D στο νέο εμφύτευμα.

«Όπως με κάθε μελέτη, πιθανότατα θα υπάρξουν επαναλήψεις σε μελλοντικούς ασθενείς προκειμένου να προσπαθήσουν να βελτιώσουν αυτή την τεχνική», λέει ο Bonilla. «Δεν είμαστε σίγουροι πότε αυτή θα γίνει η βασική θεραπεία, αλλά το μέλλον είναι πολύ συναρπαστικό».

Οι επιστήμονες του Wake Forest ασχολούνται με εργαστηριακή καλλιέργεια οργάνων και ιστών εδώ και χρόνια. Έχουν χρησιμοποιήσει τρισδιάστατη εκτύπωση για να δημιουργήσουν στο εργαστήριο ουσιαστικά ένα μίνι νεφρό και ένα μίνι συκώτι. Η επόμενη πρόκληση: μεγαλύτερες, συμπαγείς δομές που μιμούνται πληρέστερα τη λειτουργία των οργάνων. «Απέχουμε πολύ από το να πετύχουμε αυτόν τον στόχο σε οργανική κλίμακα», λέει η Jennifer Lewis, Καθηγήτρια Βιολογικά Εμπνευσμένης Μηχανικής στο Ινστιτούτο Wyss, στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

«Μπορέσαμε να εκτυπώσουμε επίπεδες δομές όπως δέρμα, σωληνοειδείς δομές όπως αιμοφόρα αγγεία ή κούφια, μη σωληνοειδή όργανα όπως η κύστη», λέει ο Anthony Atala, ιδρυτικός διευθυντής του Ινστιτούτου Wake Forest. Τα μεγαλύτερα συμπαγή όργανα είναι διαφορετικά, παρατηρεί ο Atala, «λόγω της πρόκλησης με το αγγειώδες ή τη διατροφή. Υπάρχουν τόσα πολλά κύτταρα ανά εκατοστό».

Κατά κάποιο τρόπο το θέμα με την παραγωγή κυττάρων είναι η ποιότητα. Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα καρδιακό κύτταρο από βλαστοκύτταρα, αλλά όχι ένα κύτταρο που να χτυπά τόσο δυνατά όσο τα καρδιακά κύτταρα. Το ίδιο ισχύει για τα ηπατικά κύτταρα (μεταβολισμός) και τα κύτταρα των νεφρών (πρόσληψη διηθήματος). «Κατά κάποιο τρόπο», λέει ο Skyler-Scott, «το πεδίο της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης περιμένει από τους βιολόγους να κάνουν τις μεγάλες ανακαλύψεις τους».

Υπάρχει και το θέμα της ποσότητας. Η δημιουργία μιας καρδιάς θα απαιτούσε «δισεκατομμύρια κύτταρα – και χρειάζεστε διαφορετικά κύτταρα, ακόμη και διαφορετικά καρδιακά κύτταρα», επισημαίνει ο Tal Dvir. Για να δημιουργηθούν αρκετά κύτταρα για ένα μεμονωμένο όργανο, μια εγκατάσταση θα χρειαζόταν έναν αναδευόμενο κάδο 10 λίτρων που μπορεί να κοστίζει 5.000 δολάρια την ημέρα για τη δημιουργία του μοσχεύματος, για μήνες επί μήνες, σύμφωνα με το Skyler-Scott. Και ο απώτερος στόχος είναι το να παράγονται χιλιάδες όργανα το μήνα, όχι ένα.

Πέρα από όλα αυτά, υπάρχουν τα ερωτήματα για το πώς ο ιστός ενσωματώνεται στο σώμα και πώς υποστηρίζεται από το σώμα, συμπεριλαμβανομένων πολύπλοκων δικτύων αιμοφόρων αγγείων, νεύρων και πολλαπλών τύπων κυττάρων, σημειώνει ο Dan Cohen, διευθύνων σύμβουλος και συνιδρυτής της 3D Bio Therapeutics. «Δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να γίνει», λέει ο Cohen, ο οποίος άρχισε να εργάζεται στον τομέα της βιοεκτύπωσης πριν από 20 χρόνια, όταν δεν είχε επίσημο όνομα. «Έχω πολλές ελπίδες για τη βιοεκτύπωση και την αναγεννητική ιατρική ευρύτερα».

Ακόμη και βραχυπρόθεσμα, η πρόοδος είναι αξιοσημείωτη. Οι ερευνητές στο Χάρβαρντ, λέει η Lewis, παρήγαγαν καρδιακά κύτταρα από ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα και στη συνέχεια τα εμφύτευσαν σε ένα βιοτεχνικό τσιπ με ενσωματωμένους αισθητήρες που μπορούν να παρακολουθούν τον ιστό που πάλλεται. Αυτή η τρισδιάστατη εκτυπωμένη καρδιά σε τσιπ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή διαφόρων καρδιολογικών φαρμάκων για πιθανές τοξικές παρενέργειες και μπορεί να μειώσει την ανάγκη για δοκιμές σε ζώα(Μια παρόμοια τεχνολογία ALS-on-a-chip χρησιμοποιείται για τον έλεγχο για υποψηφία φάρμακα και για την καλύτερη κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών αυτής της νόσου).

«Ο τρισδιάστατος εκτυπωτής προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα», τονίζει ο Atala του Wake Forest. «Το πρώτο είναι η κλιμάκωση, γιατί αντί να φτιάχνουμε αυτούς τους ιστούς και τα όργανα με το χέρι ένα-ένα, μπορούμε να αυτοματοποιήσουμε τον εκτυπωτή για να το κάνει. Το δεύτερο πράγμα είναι η ακρίβεια. Μπορούμε να εντοπίσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια τα κύτταρα όπου χρειάζονται».

Υπάρχει επίσης η έννοια του χαμηλότερου συνολικού κόστους, καθώς η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει αυτή την αυξημένη κλίμακα. Υπάρχει αυτό που ο Atala ονομάζει «αναπαραγωγιμότητα», μια μέθοδος παραγωγής της ίδιας δομής ξανά και ξανά. Και όσον αφορά τη μεταμόσχευση οργάνων, ένα νέο όργανο που αποτελείται από τα κύτταρα του ίδιου του ασθενούς καθιστά την απόρριψη πολύ λιγότερο πιθανή.

Οι περισσότεροι ερευνητές τοποθετούν την ιδέα της μεταμόσχευσης πλήρους μεγέθους τρισδιάστατων εκτυπωμένων οργάνων σε ανθρώπους σε διάστημα μεταξύ 20 και 30 ετών. «Τελικά, κοιτάζοντας μπροστά, δεν θα χρειαστούμε καρδιές δωρητών. Δεν θα χρειαστούμε συκώτια», καταλήγει ο Dvir. «Αυτή είναι η γνώμη μου και είμαι αισιόδοξος, αλλά νομίζω ότι σε λιγότερο από 20 χρόνια θα έχουμε τυπωμένα όργανα μέσα μας». Αυτό είναι επιστήμη στην πράξη, όχι επιστημονική φαντασία.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΠΕΡΙΣΣΤΕΡΑ:

• Additive Manufacturing for Greece: Η ελληνική βιομηχανική παραγωγή μπαίνει στον κόσμο του 3D Printing
• Στο Λας Βέγκας, η υψηλότερη στον κόσμο κατασκευή από τρισδιάστατο εκτυπωτή