| Spółka | Lokalizacja Produkty
w rurociągu |
| Zaawansowane nauki tkankowe | La Jolla, Kalifornia | Skóra (TransCyte, Dermagraft); chrząstki, więzadła i ścięgna; naczynia krwionośne i zastawki serca |
| Biochirurgia enzymatyczna | Cambridge, MA | Komórki chrząstki (Carticel); przeszczep chrząstki (Carticel II) |
| CryoLife | Kennesaw, GA | Zastawki serca i naczynia krwionośne; więzadła |
| Dbasz | Cambridge, MA | Żel do chrząstki zapobiegający refluksowi moczu (Chondrogel); pęcherz moczowy |
| Żywotność | Branchburg, NJ | Skóra (AlloDerm); naczynia krwionośne; więzadła i ścięgna |
| Organogeneza | Kanton, MA | Skóra (Apligraf, Vitrix); naczynia krwionośne |
Rodowód
Ważny postęp na tym froncie nastąpił dwa lata temu, kiedy inżynierowie biomedyczni MIT Robert Langer i Laura Niklason (obecnie w Duke University Medical Center) wyhodowali całe naczynia krwionośne z kilku komórek pobranych od świń. Niklason, który kierował pracami i wykonał większość pracy podczas pobytu w laboratorium Langera, zaczął od pobrania małych biopsji z tętnic szyjnych sześciomiesięcznej miniaturowej świni. Wyizolowała komórki mięśni gładkich z każdej próbki tkanki i użyła tych komórek do wysiewu zewnętrznej powierzchni rurowego rusztowania zbudowanego z biodegradowalnego polimeru stosowanego w szwach. Następnie Niklason hodował każde nowe naczynie we własnej specjalnej komorze wzrostu zwanej bioreaktorem. Bioreaktory są standardem w inżynierii tkankowej, ale w tym przypadku nastąpiła niespodzianka.
Jak wyjaśnia Langer, stworzyliśmy te małe pompki, które biją jak serce i podłączyliśmy je do sztucznych naczyń krwionośnych. Naukowcy odkryli, że pulsacja pobudzała komórki mięśniowe do migracji do wewnątrz, otaczając mikroskopijne fragmenty polimeru i ostatecznie wzmacniała naczynia krwionośne. Po hodowaniu naczyń w pulsującym środowisku przez kilka tygodni, dodali komórki śródbłonka – cienkie, płaskie komórki, które wyściełają wnętrze wielu tkanek, w tym naczyń krwionośnych – do ich wewnętrznych powierzchni i hodowali je przez kilka dni.
Ta pojedyncza zmiana całkowicie zmieniła wszystko, mówi Langer. Udało nam się stworzyć naczynia krwionośne, które wyglądały jak prawdziwe. Działały również jak prawdziwe naczynia krwionośne, pozostając otwarte i wolne od skrzepów przez kilka tygodni, kiedy naukowcy wszczepili je do dużych tętnic w nogach świń. Kluczem do tego, aby to zadziałało, było naśladowanie tego, co robi ciało, rozwijając naczynia w środowisku, które pulsuje tak, jak robi to prawdziwy układ krążenia, mówi Langer.
Pęcherze Beagle i ludzkie serca
Nawet bez technologii do budowy rozległych układów naczyniowych, jeden narząd uzyskany dzięki inżynierii tkankowej dotarł niemal do wszystkich prób na ludziach: pęcherz. Anthony Atala, urolog i dyrektor inżynierii tkankowej w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie, postanowił spróbować zbudować pęcherz częściowo dlatego, że wydawał się najłatwiejszym organem na początek. W przełomowej pracy wykonanej pod koniec lat 90. zespół Atali zbudował nowe pęcherze dla sześciu beagle. Naukowcy rozpoczęli od biopsji jednego centymetra kwadratowego z naturalnego pęcherza każdego psa, izolując komórki wyściółki i komórki mięśniowe z biopsji i hodując każdy typ komórek osobno.
Po miesiącu zespół Atali wyhodował wystarczającą liczbę komórek – 300 milionów każdego typu – do skonstruowania sztucznego pęcherza. Wykorzystali komórki mięśniowe, aby pokryć zewnętrzną część polimerowego rusztowania w kształcie pęcherza, a komórki wyściełające do pokrycia wnętrza. Naukowcy wszczepili każdy nowy pęcherz psu po usunięciu własnego pęcherza. Naukowcy odkryli, że nie tylko naczynia krwionośne z otaczającej tkanki wrosły do pęcherza sztucznego poddanego inżynierii tkankowej i zachowały zdrowe tkanki, ale psy miały również prawie taką samą pojemność pęcherza, jak psy z oryginalnym wyposażeniem.
Wczesne prace poszły tak dobrze, że Curis z siedzibą w Atala i Cambridge ma nadzieję rozpocząć pierwsze testy nowego pęcherza u ludzi jeszcze w tym roku. Mimo to Atala jest realistą, jeśli chodzi o to, co już osiągnął. Po pierwsze, nie odpowiedział jeszcze na pytanie, jak długo wytrzyma bioinżynieryjny pęcherz. Z pęcherzem minie kilka lat, zanim dowiemy się, jakie będą długoterminowe wyniki, wyjaśnia. Z pewnością mamy dobrą historię ze skórą. Dwadzieścia lat później wiemy, że jest w porządku. Jeśli chodzi o chrząstkę w kolanie, mamy historię czterech lub pięciu lat od momentu pierwszego umieszczenia jej u pacjentów. Ale z pęcherzem, Atala mówi: Po prostu nie wiemy.
W międzyczasie laboratorium Atala zaczęło zajmować się nerkami i zbudowało już małe jednostki przypominające nerki, zdolne do wytwarzania moczu. Mimo to, biorąc pod uwagę, że nerka jest bardzo złożoną strukturą, która obejmuje aż 20 różnych typów komórek, naukowcy muszą pokonać wiele przeszkód technicznych przed wykonaniem pełnowymiarowych narządów dla prawie 48 000 osób oczekujących na listy przeszczepów nerki w samych Stanach Zjednoczonych .
Inżynieria tkankowa serca również będzie ogromnym zadaniem, ale jest kilka powodów, by sądzić, że konkretne kroki w tym kierunku zostaną podjęte w niezbyt odległej przyszłości. Po pierwsze, serce składa się z mniej niż 10 różnych typów komórek. Co być może nawet ważniejsze, istnieją dwa duże konsorcja badawcze zajmujące się narządami. Jedną z nich jest inicjatywa LIFE (for Living Implants from Engineering), zapoczątkowana w 1998 roku i koordynowana przez Michaela Seftona z Uniwersytetu Toronto przy pomocy komitetu sterującego, w skład którego wchodzą Vacanti z Massachusetts General Hospital i Langer z MIT. Inicjatywa zgromadziła 60 naukowców akademickich i rządowych z Ameryki Północnej, Europy i Japonii do pracy nad krytyczną pompą organizmu. Mówi Sefton: Jeśli uda nam się rozwiązać problem serca, inne organy podążą za nim.
Sefton chętnie przyznaje, że projekt tak ogromny jak budowanie serca jest na pierwszy rzut oka niedorzeczny. Mimo to wierzy, że dzieląc pracę na zadania składowe – powiedzmy izolowanie ludzkich komórek mięśnia sercowego lub budowanie elastycznych rusztowań wspierających te komórki – konsorcjum naukowców będzie w stanie to zrealizować.
Ten model jest również testowany, mówi Sefton, w ramach współpracy uniwersytetów i przemysłu prowadzonej przez Uniwersytet Waszyngtoński. Finansowany z 10 milionów dolarów grantu z National Institutes of Health i obejmujący ponad 40 naukowców, projekt University of Washington podzielił swoje przedsięwzięcie na szereg celów. Pierwszym z nich jest wygenerowanie łaty z inżynierii tkankowej, którą można przeszczepić na uszkodzone serce. W dłuższej perspektywie naukowcy mają nadzieję zbudować wszczepialne lewe komory serca, co Sefton postrzega jako mini-shot-shot, który można osiągnąć w ciągu dekady. Ale w pełni funkcjonalne bioinżynieryjne serce, mówi Sefton, prawdopodobnie będzie kosztować miliardy dolarów – a ani inicjatywa LIFE, ani Uniwersytet Waszyngtoński nie zebrały jeszcze takich pieniędzy.
Prosto z Fabryki
Ostatecznie każda metoda budowy nowych narządów ludzkich będzie musiała uzyskać aprobatę amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków. A to oznacza, że budowniczowie organów będą potrzebować znormalizowanego, powtarzalnego procesu produkcyjnego, mówi bioinżynier z MIT Linda Griffith. Aby osiągnąć ten cel, Griffith i jej koledzy zwrócili się do urządzenia wynalezionego przez inżyniera MIT Emanuela Sachsa i używanego do szybkiego prototypowania oraz produkcji różnych części i narzędzi: trójwymiarowej drukarki proszkowej lub maszyny 3DP.
Maszyna tworzy złożone kształty warstwa po warstwie w oparciu o plik komputerowy, który jest w stanie przedstawić obiekt jako serię poziomych plastrów. Wałek przesuwa cienką warstwę proszku po płaskiej płycie podstawy spoczywającej na tłoku. Następnie głowica drukarki atramentowej rozprowadza klej lub spoiwo, aby zestalić proszek tylko tam, gdzie plan tego kawałka wymaga stałego materiału. Następnie tłok popycha płytę w dół o grubość warstwy i proces rozpoczyna się od nowa. Po wydrukowaniu wszystkich warstw nowy przedmiot można wyjąć z maszyny, a nadmiar proszku odpada.
Dostosowując drukarkę do używania proszków polimerowych, wielu głowic drukujących i specjalnych spoiw, Griffith i jej współpracownicy stworzyli narzędzie zdolne do masowej produkcji rusztowań polimerowych dla nowych tkanek i narządów. Drukarka nie tylko pozwala naukowcom kontrolować kształt rusztowania z dużą precyzją, ale także umożliwia wprowadzanie chemicznych modyfikacji powierzchni struktury, które pomagają dokładnie określić różne typy komórek, gdzie i jak powinny rosnąć.
To tylko ten rodzaj precyzyjnej kontroli, który może pomóc inżynierom tkanek pokonać nawet najbardziej skomplikowane narządy. Rzeczywiście, Griffith obecnie – wraz z Vacanti i Princeton w stanie New Jersey, Therics – opracowuje sposoby wytwarzania wątrób i innych organów za pomocą trójwymiarowego druku. Griffith wie już bardzo dużo na temat wzrostu tkanki wątrobowej; pracowała nad szczegółami, prowadząc jednocześnie prace nad detektorem broni biologicznej na bazie komórek wątroby dla Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony USA. Mamy nadzieję, że wiedza naukowa w połączeniu z technologią druku trójwymiarowego umożliwi zbudowanie wątroby do implantacji.
Jeśli wszystko potoczy się tak, jak Griffith, Vacanti i ich koledzy mają nadzieję, pewnego dnia maszyny produkcyjne mogą buczeć w certyfikowanych przez FDA fabrykach organów. Jest zbyt wcześnie, aby wiedzieć, czy te fabryki będą produkować całe organy na miejscu, czy zamiast tego produkują i wysyłają skomplikowane konstrukcje rusztowań, na których lekarze będą hodować własne komórki pacjentów bezpośrednio w szpitalu. Ale każde podejście, jeśli się powiedzie, obiecuje jedno: koniec z listami oczekujących na przeszczep.