Τρισδιάστατα Εκτυπωμένα Όργανα: Πώς, Γιατί και Πότε;
Το Μεγάλο Δυναμικό της Εκτύπωσης Οργάνων
Όταν μιλάμε για τρισδιάστατα εκτυπωμένα όργανα, είναι σημαντικό να πούμε ότι δεν έχουμε φτάσει ακόμα στο στάδιο όπου μπορούμε να εμφυτεύουμε 3D εκτυπωμένες καρδιές στο σώμα μας. Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε βαθύτερα το θέμα και θα προσφέρουμε μια λεπτομερή εικόνα για το τι πρόκειται να συμβεί.
Ένας βασικός στόχος της βιοεκτύπωσης ήταν να αντιμετωπιστεί η κρίση δωρητών οργάνων μέσω της ανάπτυξης της δυνατότητας εκτύπωσης ζωντανών οργάνων και άλλων μερών του σώματος. Για τους μελλοντικούς ασθενείς, αυτό σημαίνει μικρότερο χρόνο αναμονής για μεταμόσχευση, καθώς και ένα όργανο προσαρμοσμένο στο μοναδικό γενετικό και φυσιολογικό τους προφίλ ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος απόρριψης. Όμως το ανθρώπινο σώμα – και η εκτύπωση οργάνων – είναι ένα πολύπλοκο θέμα που θα συνεχίσει να απαιτεί πολλή έρευνα τα επόμενα χρόνια.
Πότε θα είναι διαθέσιμα τα 3D εκτυπωμένα όργανα;
Είναι αδύνατο να δώσουμε ακριβή εκτίμηση για το πόσο κοντά βρίσκεται η ανθρωπότητα στη διαθεσιμότητα τρισδιάστατα εκτυπωμένων οργάνων για εμφύτευση, λόγω της πολυπλοκότητας του σώματός μας. Ωστόσο, οι τεχνολογίες 3D βιοεκτύπωσης βελτιώνονται συνεχώς και οι ερευνητές που τις χρησιμοποιούν πλησιάζουν όλο και περισσότερο στην πραγματοποίηση αυτού του ονείρου.
Τον Ιούνιο του 2022, η 3DBio Therapeutics εκτύπωσε και εμφύτευσε ένα αυτί χρησιμοποιώντας τα ίδια κύτταρα ενός ασθενούς σε μια κλινική μελέτη. Είναι ενθαρρυντικό να βλέπουμε ότι ήδη χρησιμοποιούνται τεχνολογίες 3D βιοεκτύπωσης για την εκτύπωση ιστών που μπορούν να εμφυτευτούν.
Σε συνέντευξή του στο BBC Click το 2022, ο CSO της CELLINK, Itedale Namro Redwan, ρωτήθηκε πόσο μακριά βρισκόμαστε από τα εκτυπωμένα όργανα:
«Πιστεύω ότι σε 15 έως 20 χρόνια θα μπορούσαμε να τα δούμε σε κλινικές μελέτες. Πιο απλά όργανα θα μπορούσαμε να δούμε πολύ, πολύ σύντομα. Αλλά αν μιλάμε για πλήρη εσωτερικά όργανα, θα χρειαστεί χρόνος.»
Συνοπτικά, ο τομέας κινείται στη σωστή κατεύθυνση με τον αναμενόμενο ρυθμό. Με την πρόοδο και τις βασικές ανακαλύψεις, τα λειτουργικά εκτυπωμένα όργανα μπορεί να είναι εδώ πιο σύντομα απ’ όσο νομίζουμε. Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι η εκτύπωση ενός τύπου οργάνου (π.χ. ενός ήπατος) δεν σημαίνει ότι θα μπορούμε αμέσως να εκτυπώσουμε κάποιο άλλο (π.χ. καρδιά). Κάθε όργανο έχει τις δικές του πολυπλοκότητες. Αλλά με την επιτυχία εκτύπωσης και εμφύτευσης του πρώτου οργάνου, θα βρεθούμε πολύ πιο κοντά στη βιοεκτύπωση ενός δεύτερου.
Εκτυπωμένα Όργανα: Απλή Εξήγηση
Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, η δυνατότητα εμφύτευσης βιοεκτυπωμένων οργάνων θα μειώσει τον χρόνο αναμονής για μεταμόσχευση και θα μειώσει τον κίνδυνο απόρριψης. Ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο όργανο, σε αυτό το πλαίσιο, είναι μια συλλογή ζωντανών κυττάρων που εκτυπώνονται σε τρισδιάστατη γεωμετρία ώστε να αναπαράγουν τη λειτουργικότητα ενός οργάνου που βρίσκεται στο σώμα μας.
Πώς βιοεκτυπώνεται ένα όργανο;
Δεδομένου ότι εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις πριν φτάσουμε σε κλινικές μελέτες, δεν μπορούμε να δώσουμε ακριβή απάντηση για το πώς εκτυπώνεται ένα όργανο. Όταν γίνει πλήρως εφικτό να εκτυπώσουμε εσωτερικά όργανα, μπορούμε να υποθέσουμε ότι θα χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός σύγχρονων, προηγμένων και νέων τεχνικών.
Ακολουθεί μια απλουστευμένη περιγραφή τριών σταδίων της διαδικασίας εκτύπωσης ενός οργάνου για εμφύτευση. Αυτή η περιγραφή είναι πιθανό να είναι ακριβής, ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες κάθε βήματος.
Στάδιο 1: Ανάπτυξη του 3D Μοντέλου
Για να εκτυπώσεις κάτι σε 3D, χρειάζεσαι ένα μοντέλο. Ένα γενικό μοντέλο μπορεί να είναι αρκετό, αλλά με τεχνικές απεικόνισης (όπως MRI και CT) και προηγμένο λογισμικό μπορεί να δημιουργηθεί ένα εξατομικευμένο 3D μοντέλο προσαρμοσμένο στον ασθενή. Αυτό αυξάνει τις πιθανότητες επιτυχίας της εμφύτευσης.
Στάδιο 2: Συλλογή κυττάρων του ασθενούς και επιλογή βιοϋλικού
Για να μειωθεί ακόμη περισσότερο ο κίνδυνος απόρριψης, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούνται τα ίδια κύτταρα του ασθενούς. Αυτά τα κύτταρα καλλιεργούνται και αναμιγνύονται με ειδικό βιο-μελάνι για την εκτύπωση του επιθυμητού ιστού.
Με απλά λόγια: σε έναν κανονικό εκτυπωτή, αν θέλεις να εκτυπώσεις μαύρο, χρειάζεσαι μαύρο μελάνι. Αντίστοιχα, αν θέλεις να εκτυπώσεις μια καρδιά, χρειάζεσαι «μελάνι καρδιάς».
Στάδιο 3: Εκτύπωση του μοντέλου του οργάνου
Αφού ολοκληρωθεί το 3D μοντέλο και τα κύτταρα καλλιεργηθούν και αναμιχθούν, έρχεται η ώρα της εκτύπωσης του οργάνου. Το βιο-μελάνι, που περιέχει τα κύτταρα του ασθενούς, εκτυπώνεται σύμφωνα με τον σχεδιασμό του 3D μοντέλου. Είναι επίσης δυνατό να προστεθούν κύτταρα μετά την εκτύπωση της τρισδιάστατης δομής.
Οι ακριβείς τεχνικές εκτύπωσης και το βιο-μελάνι
Οι ακριβείς τεχνικές εκτύπωσης και τα βιο-μελάνια που θα χρησιμοποιηθούν είναι αυτό στο οποίο εργάζονται ερευνητές σε όλο τον κόσμο για να ανακαλύψουν. Για παράδειγμα, αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη βιοεκτύπωση με βάση την εξώθηση, η οποία, απλουστευμένα, εξωθεί το βιοϋλικό σε ένα σχήμα (βλ. BIO X ή BIO X6), ή τη βιοεκτύπωση με βάση το φως, η οποία χρησιμοποιεί το φως για να διαμορφώσει το βιοϋλικό, επιτρέποντας συνήθως υψηλή ανάλυση (βλ. BIONOVA X και LUMEN X).
Μπορούμε λοιπόν να εκτυπώσουμε όργανα;
Αν μιλάμε για πλήρως λειτουργικά εσωτερικά όργανα, η σημερινή απάντηση είναι όχι. Είμαστε όμως βέβαιοι ότι αυτό το «όχι» θα γίνει σύντομα «ναι». Υπάρχουν ακόμη κάποια εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν. Αυτά περιλαμβάνουν τη δημιουργία βιομιμητικής αγγείωσης για τα εκτυπωμένα όργανα και την εύρεση κατάλληλων βιοϋλικών για τα βιο-μελάνια που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία εκτύπωσης.
Βιομιμητική αγγείωση
Η βιολογική μίμηση της πολυπλοκότητας ενός λειτουργικού αγγειακού δικτύου δεν είναι εύκολο έργο. Όπως συμβαίνει με κάθε εκτύπωση, η 3D βιοεκτύπωση έχει ένα όριο ανάλυσης. Αυτό σημαίνει ότι η ανάπτυξη ενός 3D βιοεκτυπωτή ικανού να εκτυπώνει τόσο τις λεπτές αγγειακές δομές ενός οργάνου όσο και το συνολικό του σχήμα αποτελεί τεχνολογική πρόκληση. Σήμερα, τα αγγειακά δίκτυα εκτυπώνονται συχνά με βιο-μελάνια «θυσίας» – τα οποία απομακρύνονται μετά την εκτύπωση – ή μέσω ομοαξονικής βιοεκτύπωσης για την άμεση δημιουργία αγγειακών σωληνίσκων.
Επιπλέον, η σύνθεση βιο-μελανιών με συγκεκριμένα βιοενεργά υλικά που ενθαρρύνουν τη συμπεριφορά αγγείωσης αποτελεί έναν ακόμη τομέα έρευνας. Απαιτείται ένας συνδυασμός βελτιώσεων στην τεχνολογία 3D βιοεκτύπωσης και ανάπτυξης βιοϋλικών για την επίτευξη της κατάλληλης αγγείωσης ενός οργάνου, τόσο in vitro όσο και in vivo.
Συνοπτικά, οι μελλοντικές πρόοδοι στη βιοτεχνολογία θα προσφέρουν στους ερευνητές τα απαραίτητα εργαλεία για να συνεχίσουν την εξερεύνηση της βιομιμητικής αγγείωσης για όργανα.
Μαζί με την CELLINK, εργαζόμαστε τόσο με τεχνολογίες βιοεκτύπωσης που βασίζονται στην εξώθηση όσο και με εκείνες που βασίζονται στο φως. Όταν πρόκειται για εκτύπωση εμφυτεύσιμων οργανικών δομών, έχει νόημα να συνδυάζονται και οι δύο σε μια ενιαία ροή εργασίας. Ενώ η εκτύπωση με εξώθηση προσφέρει μεγάλη ευελιξία και είναι εξαιρετική για την εκτύπωση της γενικής δομής του οργάνου, είναι πιο δύσκολο να επιτευχθούν οι λεπτομέρειες που απαιτούνται για ένα λειτουργικό αγγειακό σύστημα. Εκεί έρχεται η εκτύπωση με βάση το φως. Η εκτύπωση με φως είναι πολύ πιο κατάλληλη για την εκτύπωση λεπτομερειών, όπως τα αγγειακά δίκτυα, λόγω της υψηλής της ανάλυσης και της ανεξαρτησίας από βιο-μελάνια «θυσίας». Για να μάθετε περισσότερα για τον συνδυασμό εξώθησης και φωτός, δείτε τη τεχνική μας σημείωση σχετικά με τη βιοκατασκευή μοντέλων αγγειακού δέρματος.
Επιλογές βιοϋλικών
Ένας σημαντικός τομέας της μηχανικής ιστών γενικότερα είναι τα βιοϋλικά. Κάθε βιοϋλικό που χρησιμοποιείται σε ένα βιο-μελάνι συμπεριφέρεται διαφορετικά όταν αλληλεπιδρά με τα κύτταρα. Η εύρεση του κατάλληλου συνδυασμού αυτών των βιοϋλικών είναι απαραίτητη για την υποστήριξη της κυτταρικής προσκόλλησης και διαφοροποίησης στα σωστά κύτταρα.
Ενώ οι φυσικοί πολυμερείς, όπως το κολλαγόνο, η φιμπρίνη, η ζελατίνη και το αλγινικό, παρουσιάζουν εξαιρετική βιοσυμβατότητα που υποστηρίζει την ανάπτυξη των κυττάρων όπως απαιτείται, έχουν περιορισμένη δυνατότητα εκτύπωσης. Ως εκ τούτου, οι συνθετικοί πολυμερείς συνδυάζονται συχνά με φυσικά βιοϋλικά για να αυξήσουν την εκτυπωσιμότητα. Σύνθετα βιο-μελάνια όπως αυτά που περιγράψαμε θεωρούνται υποσχόμενοι υποψήφιοι για το μέλλον της 3D βιοεκτύπωσης. Ποια ακριβώς βιοϋλικά θα χρησιμοποιηθούν στο πρώτο εμφυτεύσιμο εκτυπωμένο εσωτερικό όργανο είναι αδύνατο να πούμε. Αυτό που μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα είναι ότι το όργανο θα εκτυπωθεί χρησιμοποιώντας πολλαπλά υλικά κατάλληλα για τα διάφορα συστατικά του οργάνου.
Το μέλλον της μεταμόσχευσης οργάνων
Συνοπτικά, πρέπει να επαναλάβουμε ότι τα 3D εκτυπωμένα όργανα θα ωφελήσουν πολλούς λήπτες οργάνων σε όλο τον κόσμο. Τα εσωτερικά όργανα εκτυπωμένα σε 3D απέχουν ακόμη χρόνια από το να είναι έτοιμα για εμφύτευση.
Όμως τα βιοεκτυπωμένα όργανα και το πώς εκτυπώνονται είναι κάτι στο οποίο εργάζονται ερευνητές παγκοσμίως καθημερινά.
Καθώς η CELLINK και άλλες εταιρείες βιοεκτύπωσης συνεχίζουν να προωθούν την τεχνολογία 3D εκτύπωσης και οι ερευνητές συνεχίζουν να εργάζονται και να βελτιώνουν τα μοντέλα οργάνων και ιστών, θα βλέπουμε σταδιακές βελτιώσεις κάθε χρόνο. Το μέλλον της ιατρικής και της μεταμόσχευσης οργάνων πλησιάζει ολοένα και περισσότερο — μία εκτύπωση κάθε φορά.