Serce? Wątroba? Wydrukuj je sam

Niektórzy widzowie, oglądając film „Park Jurajski 3”, bardziej niż pojedynkiem tyranozaura ze spinozaurem, zachwycali się drukarką 3D, za pomocą której paleontolodzy stworzyli komorę rezonansową welociraptora. Był rok 2001, a kilka lat później urządzenia te stały się powszechnie dostępne. Także, ku zaskoczeniu wielu, w biotechnologii.

Co ciekawe, pomysły takie pojawiały się już na początku lat 90. W końcu w drukarkach 3D używa się zazwyczaj materiałów polimerowych (czyli plastikowych), a jest cały wachlarz takich właśnie materiałów, które można stosować w medycynie i bioinżynierii. Wytwarza się z nich protezy, powłoki implantów, stenty, rusztowania dla regeneracji tkanek (tzw. scaffoldy) i wiele innych. Mają wiele zalet – są zazwyczaj lekkie, giętkie i łatwo można modyfikować ich właściwości powierzchniowe. Znamy wiele polimerów biodegradowalnych, co bywa ogromną zaletą, a do tego nie mają one zwykle właściwości magnetycznych, co ułatwia diagnostykę i obrazowanie medyczne pacjentów. Było więc tylko kwestią czasu, aż biotechnologowie zaczną stosować druk 3D.

Już w 1996 r. wydrukowano pierwszy scaffold z biodegradowalnego polilaktydu. Siedem lat później opisano pierwszy eksperyment z wykorzystaniem w druku 3D hydrożeli oraz żywych komórek. A w 2007 r. w „Nature Biotechnology” opisano wydrukowanie i pomyślne zaimplentowanie myszom scaffoldu do regeneracji kości, pokrytego komórkami macierzystymi. Drukowanie scaffoldów to szczególnie pożądane zastosowanie biodruku 3D. Dzięki niemu naukowcy mają nadzieję naprawiać uszkodzone organy, kształtować tkanki mięśni, kości, a nawet mózgu. Druk 3D daje też szanse na personalizację protez i implantów.

Choć wyniki eksperymentów były obiecujące, droga do zatwierdzenia druku tkanek jako terapii klinicznej była długa i wyboista. Wzbudzały jednak olbrzymie zainteresowanie, były prezentowane i omawiane m.in. na spotkaniach Międzynarodowego Towarzystwa Inżynierii Tkankowej i Medycyny Regeneracyjnej TERMIS (Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society).

Ochocza współpraca

Podstawowe techniki druku 3D obejmują druk ekstruzyjny, atramentowy oraz druk z sieciowaniem świetlnym. Pierwszy z nich opiera się na wypychaniu materiału polimerowego przez dyszę w formie włókna o średnicy 100–500 µm, z którego formuje się struktury warstwa po warstwie. Ta prosta technika ma swoje ograniczenia: niską dokładność i wysoką lepkość stosowanych materiałów. W druku atramentowym stosowany jest hydrożelowy tusz, dozowany w małych kropelkach, co pozwala na większą dokładność w formowaniu drukowanych struktury (do 50 µm). Nie oferuje jednak tak dużej kontroli nad rozpryskiwaniem kropli. W trzeciej metodzie stosuje się fotoczuły tusz, który zawiera w sobie cząsteczki polimerów. Ulegają one sieciowaniu (wytwarzają się połączenia w polimerze, utrwalające jego trójwymiarową strukturę) w reakcji na światło o długości ok. 385 nm (na granicy fioletu i ultrafioletu). Daje to szansę na jeszcze wyższą dokładność (do 25 µm) i umożliwia wytwarzanie bardziej skomplikowanych przestrzennie struktur, zapewniając bardzo krótki (kilka sekund) czas wytwarzania.

W biodruku stosuje się często biotusze, w których zawieszone są dodatkowo żywe komórki. Składają się one zwykle z hydrożelowego nośnika, który, dzięki swoim właściwościom hydrofilowym i elastyczności, dobrze współdziała z naturalnymi tkankami. Biotusze mogą zawierać wielocukry lub białka, a także substancje aktywne, takie jak kwas hialuronowy lub czynniki wzrostu – wszystko po to, aby maksymalnie odwzorować biochemiczne środowisko tkanek, ułatwić komórkom namnażanie się i regenerację.

Bardzo popularnym materiałem do biodruku jest tzw. PEG (glikol polietylenowy), bo jest łatwo dostępny i można go modyfikować na wiele sposobów, na przykład dodając do niego nanocząstki krzemu, które zapewniają większą stabilność struktury, lub fotouczulacze, umożliwiające szybsze sieciowanie. Bardziej zaawansowane są biotusze oparte na macierzy zewnątrzkomórkowej, czyli mieszaninie białek i cukrów złożonych, występującej naturalnie w tkankach żywych organizmów – nadającej tkankom kształt i wspierającej ich regenerację. Taką macierz można pobrać bezpośrednio od pacjenta, rozhodować w warunkach laboratoryjnych, a następnie zawiesić w płynnym hydrożelu i wykorzystać jako biotusz. Tkanki wówczas bardzo chętnie „współpracują” z materiałem. Badania nie są łatwe, bo takie biotusze mają stosunkowo niską lepkość i stabilność – ale eksperymentuje się z drukiem tkanek, np. mięśniowych lub budujących nerki.

Szybki powrót

Za pomocą druku 3D można też rekonstruować naczynia krwionośne, wytwarzając scaffoldy do regeneracji komórek albo całe naczynia. Oba podejścia były testowane w warunkach in vitro oraz in vivo – w roku 2017 w czasopiśmie z grupy „Nature” raportowano o bajpasach u myszy wydrukowanych w 3D, od wewnątrz pokrytych komórkami śródbłonka.

Można też drukować scaffoldy pod tkankę mięśniową. Struktura jej włókien zachęca do stosowania techniki ekstruzyjnej i w 2020 r. w „Nature Communications” opisano wyprodukowanie tkanki mięśniowej z mieszaniny trzech różnych tuszy: polimeru PCL jako rusztowania oraz tuszu z zawieszonymi białkami, kwasem hialuronowym i substancjami odżywczymi, wspierającymi wzrost komórek. Wszczepiono ją grupie szczurów; zwierzęta szybko wróciły do zdrowia, prawidłowej regeneracji mięśni oraz poprawnej integracji włókien nerwowych z biodrukowanymi mięśniami.

Drukuje się również fragmenty kości lub chrząstek, np. w latach 2013 i 2016 pojawiły się ekscytujące publikacje omawiające wytworzenie – działającej – małżowiny usznej (z alginianu sodu, komórek chrząstki i nanocząsteczek srebra).

Przełom symboliczny

Trudniejszym – wbrew pozorom – wyzwaniem jest drukowanie skóry, która jest zaskakująco złożonym i skomplikowanym narządem. Składa się z wielu warstw, jest silnie unaczyniona i ma rewelacyjne zdolności regeneracyjne. To wszystko sprawia, że trudniej jest ją wytworzyć sztucznie. A jednak, w ciągu ostatniej dekady udało się przeprowadzić kilka udokumentowanych i udanych eksperymentów z leczeniem dużych oparzeń na modelach zwierzęcych, właśnie z wykorzystaniem drukowanej skóry. W jednym z najnowszych badań (z 2023 r.) przeszczepiono myszom drukowaną skórę zawierającą ludzkie komórki i zaobserwowano szybką regenerację tkanek oraz naczyń krwionośnych.

Wymarzonym celem jest oczywiście drukowanie całych narządów, ale narządy muszą być od razu wyposażone w nerwy i naczynia krwionośne. Miewają one też mnóstwo innych, trudnych do wytworzenia w laboratorium mikrostruktur, nieosiągalnych dla dotychczasowych rozdzielczości druku 3D. Pewnym przełomem były badania opisane w „Science” w 2020 r. Grupa z Pittsburgha za pomocą własnej platformy sprzętowej drukowała struktury kolagenowe w materiale wspierającym, co pozwalało im wytwarzać bardziej skomplikowane kształty. Chemicznie kontrolowała morfologię kolagenowego filamentu – od wysoce porowatego po całkiem zwarty. Efektem był na przykład model ludzkiego serca z kolagenu, wraz z kapilarami i zastawkami.

Faza przedkliniczna

Biodruk funkcjonuje wciąż głównie w laboratoriach. Pojawiają się jednak pierwsze doniesienia o testach klinicznych z udziałem ludzi. W roku 2022 amerykański chirurg Warren Dorlac podjął współpracę z firmą T&R Biofab z Korei Południowej, aby zaprojektować implanty do rekonstrukcji czaszki dla dwóch pacjentów z Ukrainy (operację przeprowadzono zresztą w Polsce). Pavlo Plavskyi, neurochirurg z Kijowa, w 2024 r. wszczepił swoim pacjentom drukowane w 3D implanty czaszki, zaprojektowane przez grupę badaczy z kilku polskich uczelni.

Nie sposób też nie wspomnieć profesora Michała Wszoły. Ten chirurg i transplantolog, przewodniczący Rady Naukowej Fundacji Badań i Rozwoju Nauki oraz prezes firmy Polbionica, od kilkunastu lat pracuje nad drukowaną bioniczną trzustką. Stosuje zarówno hydrożele z zawieszonymi komórkami trzustki pobranymi od pacjenta, jak i biotusz – do wytwarzania naczyń krwionośnych. Materiały są dozowane z dwóch osobnych dysz – osobno drukowana jest struktura trzustki, osobno naczynia. Po podgrzaniu biotusz z naczyń się rozpuszcza, pozostawiając puste przestrzenie, które po wszczepieniu mają umożliwić przepływ krwi.

Profesor Wszoła deklaruje, że jego grupa zakończyła główną fazę badań przedklinicznych oraz przeprowadziła udany eksperyment na świni, a w przyszłym roku planuje zacząć badania kliniczne na ludziach. Postępy w biodruku widać zresztą na całym świecie. W roku 2024 w amerykańskim serwisie rządowym ClinicalTrials (zarządzanym przez National Library of Medicine) zarejestrowano 240 badań klinicznych z wykorzystaniem druku 3D, a w nowym roku z pewnością będzie takich testów jeszcze więcej.

Kolejnym ciekawym rozwiązaniem jest integracja drukowanych tkanek z komórkami fotowoltaicznymi. Regenerację i integrację stymuluje się elektrycznie. Podpinanie elektrod do świeżo implantowanej tkanki w ciele pacjenta nie jest jednak proste ani wygodne, dlatego naukowcy z USA zaproponowali w niedawnym artykule z „Science Advances”, aby połączyć taki scaffold z fotowoltaiką – i w ten sposób, naświetlając implant laserem, pozyskać, czy raczej wygenerować, ładunki elektryczne potrzebne do pobudzenia komórek.

Niełatwa integracja

Wciąż problemów nastręcza integracja wydrukowanych tkanek z układami krążenia oraz nerwami. Są propozycje ich rozwiązania, jak te proponowane przez grupę z Pittsburgha czy prof. Wszoły. Inne to drukarki kombinowane, łączące w sobie technikę ekstruzyjną i tuszową. Ułatwiają one m.in. precyzyjne rozmieszczanie komórek i deponowanie materiału, a użycie wysoko lepkich hydrożeli w druku ekstruzyjnym dodatkowo zwiększa stabilność wyrobów. Integracja biodruku świetlno-ekstruzyjnego pozwala na wytwarzanie mikrostruktur o wysokiej rozdzielczości oraz przestrzennie kontrolowane sieciowanie. Opracowanie biodrukarek specyficznych dla określonych typów tkanek może dodatkowo zwiększyć wszechstronność i zastosowanie tych technologii.

Dla druku w wysokiej rozdzielczości ważny jest też rozwój nowych biotuszów, które będą miały odpowiednią lepkość i parametry sieciowania, a to wymaga ciągłych badań nad biomateriałami i integracją hydrożeli z komórkami.

Wizja swobodnego i powszechnie dostępnego drukowania narządów do transplantacji wciąż pozostaje więc fikcją, ale zdecydowanie bliższą rzeczywistości niż ćwierć wieku temu. Może nawet w tej dekadzie usłyszymy o opracowaniu kolejnych drukowanych narządów, takich jak trzustka prof. Wszoły.