Wewnątrz wysiłku, aby wydrukować płuca i tchnąć w nie życie za pomocą komórek macierzystych

Dzięki uprzejmości 3D Systems

W zeszłym miesiącu miałem okazję trzymać replikę górnej części dróg oddechowych człowieka — tchawicę i dwa pierwsze oskrzela. Został zrobiony z kolagenu, biologicznego cementu, który spaja nasze ciała. Był śliski i pusty, o konsystencji niedogotowanego makaronu.

Konstrukcja wyszła z drukarki 3D wielkości lodówki w Manchesterze w stanie New Hampshire, w placówce United Therapeutics, firmy, która zarabia ponad miliard dolarów rocznie, sprzedając leki na dolegliwości płucne.

Firma twierdzi, że pewnego dnia planuje wykorzystać drukarkę taką jak ta do produkcji ludzkich płuc w nieograniczonych ilościach i przezwyciężyć poważny niedobór narządów dawców.

Biodrukowanie bibuły nie jest nowym pomysłem. Drukarki 3D mogą tworzyć ludzką skórę, a nawet siatkówki. Jednak dotychczas metoda ograniczała się do tkanek bardzo małych lub bardzo cienkich i pozbawionych naczyń krwionośnych.

Zamiast tego United opracowuje drukarkę, która, jak sądzi, będzie w stanie w ciągu kilku lat wyprodukować solidny, gumowaty zarys płuca z najdrobniejszymi szczegółami, w tym wszystkie 23 opadające odgałęzienia dróg oddechowych, pęcherzyki z wymianą gazu i delikatne sieć naczyń włosowatych.

Płuco z kolagenu nikomu nie pomoże: dla prawdziwego płuca jest tym, czym gumowy kurczak dla prawdziwej kury. Tak więc United opracowuje również sposoby impregnowania matrycy ludzkimi komórkami, aby przyczepiły się do niej i zakopały się w niej, ożywiając ją.

Próbujemy zbudować małe domki z patyków, w których mogłyby mieszkać komórki, mówi Derek Morris, lider projektu w grupie United produkującej organy.

Przedsiębiorca organowy

Projekt druku 3D jest najnowszym z serii wysiłków inżynieryjnych zapoczątkowanych przez dyrektora generalnego United, Martine Rothblatt, byłego przedsiębiorcę z branży lotniczej (była założycielem i dyrektorem generalnym Sirius Satellite Radio), która po niej zmieniła karierę w latach 90. córka rozwinęła rzadką chorobę płuc.

Tworząc United, Rothblatt zamieniła porzucony lek, który kupiła za 25 000 $, w firmie, która uczyniła ją najlepiej opłacany CEO w branży biofarmaceutycznej w zeszłym roku —kiedy ona również ustawiła rekord prędkości w elektrycznym helikopterze. Rothblatt mówi, że spodziewa się, że kiedyś elektryczne drony przeniosą organy z jej fabryki tam, gdzie będą potrzebne.

United już poczyniło ryzykowne zakłady na organy. Jedna z jej spółek zależnych, Revivicor, zaopatruje chirurgów w serca, nerki i płuca genetycznie zmodyfikowanych świń (do tej pory stosowano je u pawianów). Inna, Lung Bioengineering, odnawia płuca ludzkich dawców poprzez pompowanie do nich ciepłego roztworu. Około 250 osób otrzymało już płuca, które w innym przypadku zostałyby uznane za odpady medyczne.

Nie oczekuj wkrótce w pełni wyprodukowanych organów. United w swoich prognozach firmy przewiduje, że nie nastąpi to przez kolejne 12 lat. Rothblatt przyznaje, że wydrukowana struktura, którą widziałem, to dopiero początek. Mówi, że to tylko dwie gałęzie i brak komórek.

Mimo to wysiłki United, by wydrukować całe organy, które rozpoczęły się w zeszłym roku, mogą być największe w branży. Wynajął firmę 3D Systems z Południowej Karoliny do zbudowania drukarki i płaci innej firmie, 3Scan, za pocięcie płuc i stworzenie szczegółowych map ich wnętrz. Publikuje ogłoszenia o pracę na stanowiska takie jak Matematyk — projektowanie narządów ludzkich.

Grupa produkująca organy United znajduje się w tym samym kompleksie dawnych fabryk tekstyliów, co BioFabUSA, inicjatywa Departamentu Obrony zajmująca się drukowaniem tkanek o wartości 80 milionów dolarów. Dean Kamen, znany wynalazca, który kieruje BioFabUSA, mówi, że spotkania z Rothblattem skłoniły go do złożenia wniosku do rządu o organizację instytutu. Widziałem cuda, którymi się bawi i frustrację sprzętu, którego używa do tego, mówi. Według Kamena biologom przeszkadza to, co nazywa XIX-wieczną technologią kolb i zlewek.

drukowanie 3d

Drukarka kolagenowa, której używa obecnie 3D Systems, działa zgodnie z metodą zwaną stereolitografią. Laser UV migocze przez płytką pulę kolagenu domieszkowanego światłoczułymi cząsteczkami. Wszędzie tam, gdzie laser pozostaje w kontakcie, kolagen utwardza ​​się i twardnieje. Stopniowo drukowany obiekt jest obniżany i dodawane są nowe warstwy.

Dyrektor Generalny United, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

Według United, drukarka może obecnie nakładać kolagen w rozdzielczości około 20 mikrometrów. Jednak wydrukowanie szczegółów anatomicznych płuca będzie wymagało cech mniejszych niż mikrometr.

Kiedy widzisz złożoność płuc, co natura robi od poczęcia do narodzin, nie ma sposobu, aby to obrabiać lub formować. Druk 3D to jedyny sposób, w jaki musimy stworzyć tę geometrię, mówi Pedro Mendoza, dyrektor biodruku w 3DSystems.

Mendoza mówi, że 3D Systems planuje importować techniki z branży półprzewodników — takie jak maski, lustra i mocniejsze lasery — w celu poprawy rozdzielczości drukarki. Szybkość też jest problemem. Wydrukowanie struktury, którą zobaczyłem, zajęło 12 godzin. Zbudowanie kompletnego, szczegółowego rusztowania płucnego zajęłoby rok przy użyciu tej samej drukarki.

Biodruk

Niektóre tkanki z bioprintem są bliskie znalezienia zastosowań medycznych. Zespół w Hiszpanii drukował skórę, która, jak sądzi, może być użyta u pacjentów z poparzeniem. Jednak wszystkie produkowane dzisiaj chusteczki są cienkie jak papier. Muszą być, bo brakuje im naczyń krwionośnych. Każdy większy i tkanka zginęłaby od środka.

Chociaż niektórzy badacze wydrukowali prototypy żywych naczyń krwionośnych, wysiłki te pozostają w początkowej fazie. Do tej pory nikt nie odebrał nagrody w wysokości 300 000 dolarów oferowanej przez NASA pierwszemu naukowcowi, który był w stanie wydrukować żywą tkankę o grubości jednego centymetra. Para ludzkich płuc jest znacznie bardziej pokaźna, waży około trzech funtów.

Niektóre firmy twierdzą, że jeszcze przedwcześnie jest mówić o drukowaniu całych narządów. Wszyscy uważamy, że w przyszłości będzie to możliwe. Różnimy się tym, jak długo to zajmie, mówi Sharon Presnell, główny naukowiec Organovo, kalifornijskiej firmy, która drukuje cienkie, elastyczne arkusze wątroby. Czy można uzyskać coś takiego rozmiaru z unaczynieniem i czy może wytrzymać ciśnienie fizjologiczne? Większość z nas próbuje chodzić, zanim zaczniemy biegać.

Dodawanie komórek

Ale nie zjednoczeni. Mówi się, że problem z innymi wysiłkami polega na tym, że wykorzystują one metody ekstruzji, wyciskając komórki i białka za pomocą cienkich igieł. Luis Alvarez, bioinżynier, który kieruje grupą produkującą organy United, porównuje drukowanie komórek do przepychania balonów z wodą przez słomkę. Mówi: Twoja rozdzielczość drukowania jest ograniczona wielkością komórki.

Zamiast tego plan United polega na tym, aby najpierw wydrukować rusztowanie płucne, a następnie nasycić je ludzkimi komórkami, w procesie zwanym recelularyzacją.

Istnieją wczesne dowody na to, że macierz kolagenowa może zostać z powrotem przekształcona w działające płuco. W tym roku w eksperymencie częściowo finansowanym przez United, chirurg Harvard University Harald Ott poinformował, że wpompował miliardy ludzkich komórek (z pępowiny i pokrojonych w kostkę płuc) do płuca świni pozbawionego własnych komórek. Kiedy zespół Otta ponownie podłączył go do krążenia świni, powstały narząd wykazał szczątkową funkcję, chociaż eksperyment trwał tylko godzinę.

Przepuszczasz krew przez system i otrzymujesz wymianę gazową, mówi Finn Hawkins, biolog komórek macierzystych z Boston University, który nie jest zaangażowany w projekt United. To niezwykłe. Ale to długa droga do przeszczepialnych narządów.

Hawkins mówi, że w narządach Otta brakowało ważnych typów komórek, takich jak faliste rzęski, które usuwają flegmę. Co więcej, pozostaje niejasne, jak pozyskać ludzkie komórki w ilości potrzebnej do zasilania przyszłej fabryki narządów. Nie ma wystarczającej liczby ludzkich płuc zmarłych dawców, aby zaspokoić zapotrzebowanie.

United twierdzi, że planuje wykorzystać komórki macierzyste do produkcji potrzebnej tkanki w swoich laboratoriach, ale to też nie jest łatwe zadanie.

Myślę, że biodrukowanie może być najmniej problematyczną częścią, mówi Hawkins. Jak tylko wspomnisz o czymś większym niż mysz, powiedziałbym, że trudno jest wytworzyć taką ilość komórek.

Nowe organy

Gdyby organy mogły być produkowane w dużych ilościach, nie rozwiązałoby to tylko niedoboru organów. Może w końcu zmienić kształt ludzkiego życia. Co powiesz na nowe serce lub płuca w wieku 80 lat?

Aby się tam dostać, United będzie musiał wykonać nie jeden, ale kilka technologicznych moonshotów. Jednak Alvarez mówi, że United spodziewa się, że jego różne projekty technologiczne – rusztowanie drukowane w 3D, technika recelularyzacji i wysiłki na rzecz wytworzenia tkanki płucnej z komórek macierzystych – przecinają się kiedyś w przyszłości.

Mówi, że zanim zaczniemy drukować najdelikatniejszą część płuca, będziemy wiedzieli, jak je ponownie celować.

ukryć