Gojenje funkcionalnih človeških organov zunaj telesa je dolgo iskani sveti gral medicine presajanja organov. Medtem ko so zdravniki v preteklosti že uspešno s 3D tiskalnikom presajali zunanje organe, je to težje izvedljivo pri notranjih. Nova raziskava Harvardskega inštituta Wyss za biološko navdahnjeno inženirstvo in John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) pripelje to iskanje en velik korak bližje zaključku.
Skupina znanstvenikov je ustvarila novo metodo za 3D tiskanje vaskularnih mrež, ki so sestavljene iz medsebojno povezanih krvnih žil, ki imajo posebno lupino gladkih mišičnih celic in endotelijskih celic, ki obdajajo votlo jedro, skozi katero lahko teče tekočina, vgrajeno v človeško srčno tkivo. Ta vaskularna arhitektura natančno posnema strukturo naravno prisotnih krvnih žil in predstavlja pomemben napredek v smeri izdelave človeških organov za vsaditev.
Nova 3D metoda biotiskanja
»V predhodnem delu smo razvili novo metodo 3D biotiskanja, znano kot žrtvovano pisanje v funkcionalnem tkivu (SWIFT), za vzorčenje votlih kanalov znotraj žive celične matrike. Tukaj, na podlagi te metode, uvajamo koaksialni SWIFT (so- SWIFT), ki povzema večplastno arhitekturo, ki jo najdemo v naravnih krvnih žilah, zaradi česar je lažje oblikovati medsebojno povezan endotelij in je bolj robusten, da prenese notranji pritisk krvnega pretoka,« je dejal prvi avtor Paul Stankey, podiplomski študent na SEAS v laboratoriju starejše avtorice in članice Wyss Core Faculty Jennifer Lewis, Sc.D.
Ključna inovacija, ki jo je razvila ekipa, je bila edinstvena šoba z jedrom in lupino z dvema neodvisno nadzorovanima tekočinskima kanaloma za črnila, ki sestavljajo natisnjene posode: črnilo na osnovi kolagena in črnilo na osnovi želatine.
Notranja jedrna komora šobe se nekoliko razteza čez komoro lupine, tako da lahko šoba v celoti preluknja predhodno natisnjeno žilo, da ustvari med seboj povezana razvejana omrežja za zadostno oksigenacijo človeških tkiv in organov s perfuzijo. Velikost posod je mogoče med tiskanjem spreminjati s spreminjanjem bodisi hitrosti tiskanja ali pretoka črnila.
Metodo je potrebno potrditi
Da bi potrdili, da nova metoda co-SWIFT deluje, je ekipa najprej natisnila svoje večplastne posode v prozorno zrnato hidrogelno matriko. Nato so posode natisnili v nedavno ustvarjeno matrico, imenovano uPOROS, sestavljeno iz poroznega materiala na osnovi kolagena, ki posnema gosto, vlaknasto strukturo živega mišičnega tkiva. Uspešno so lahko natisnili razvejane vaskularne mreže v obeh teh brezceličnih matricah. Ko so bile te biomimetične posode natisnjene, je bila matrica segreta, kar je povzročilo zamreženje kolagena v matrici in lupinskem črnilu, žrtvovano želatinsko črnilo pa se je stopilo, kar je omogočilo njegovo enostavno odstranitev in povzročilo odprto, prepustno vaskulaturo.
Pri prehodu na še bolj biološko pomembne materiale je ekipa ponovila postopek tiskanja z uporabo črnila v lupini, ki je bilo prepojeno z gladkimi mišičnimi celicami (SMC), ki sestavljajo zunanjo plast človeških krvnih žil. Po taljenju črnila iz želatinskega jedra so nato perfundirali endotelne celice (EC), ki tvorijo notranjo plast človeških krvnih žil, v njihovo vaskulaturo. Po sedmih dneh perfuzije so bili tako SMC kot EC živi in so delovali kot žilne stene – prišlo je do trikratnega zmanjšanja prepustnosti žil v primerjavi s tistimi brez EC.
Preizkus metode na človeškem tkivu
Končno so bili pripravljeni preizkusiti svojo metodo znotraj živega človeškega tkiva. Konstruirali so na stotine tisoče gradnikov srčnega organa (OBB) – drobnih kroglic utripajočih človeških srčnih celic, ki so stisnjene v gosto celično matriko. Nato so s pomočjo co-SWIFT natisnili biomimetično mrežo žil v srčno tkivo. Nazadnje so odstranili črnilo žrtvenega jedra in notranjo površino svojih žil, obremenjenih s SMC, s perfuzijo zasejali z EC in ovrednotili njihovo delovanje.
Ne samo, da so te natisnjene biomimetične žile pokazale značilno dvoslojno strukturo človeških krvnih žil, ampak so po petih dneh perfuzije s tekočino, ki posnema kri, srčni OBB začeli utripati sinhrono – kar kaže na zdravo in funkcionalno srčno tkivo. Tkiva so se odzvala tudi na običajna zdravila za srce – izoproterenol je povzročil hitrejše bitje, blebistatin pa jih je ustavil. Ekipa je celo 3D-natisnila model razvejane vaskulature leve koronarne arterije resničnega bolnika v OBB, kar je pokazalo njegov potencial za personalizirano medicino.
Uspešno natisnjeni 3D modeli
»Uspešno smo 3D natisnili model vaskulature leve koronarne arterije na podlagi podatkov resničnega pacienta, kar dokazuje potencialno uporabnost co-SWIFT za ustvarjanje vaskulariziranih človeških organov, specifičnih za pacienta,« je dejala dr. Lewis.
V prihodnjem delu ekipa načrtuje ustvarjanje samosestavljenih mrež kapilar in njihovo integracijo s svojimi 3D-natisnjenimi mrežami krvnih žil, da bi v celoti posnemali strukturo človeških krvnih žil na mikrometru in izboljšali delovanje laboratorijsko pridelanih tkiv, je pa to tudi dober začetek zajezitve črnega trga s človeškimi organi.
»Reči, da je inženiring funkcionalnih živih človeških tkiv v laboratoriju težko, je podcenjevanje. Ponosen sem na odločnost in ustvarjalnost, ki ju je ta ekipa pokazala, ko je dokazala, da lahko resnično zgradijo boljše krvne žile znotraj živih, utripajočih človeških srčnih tkiv. veselimo se njihovega nadaljnjega uspeha pri njihovem prizadevanju, da bi nekega dne vsadili laboratorijsko pridelano tkivo pacientom,« je dejal direktor Wyss Foundinga Donald Ingber, M.D., Ph.D.
Novinar
