Naukowcy z Uniwersytetu Minnesoty za pomocą biodruku 3D stworzyli pierwsze bijące serce!

Zespół badawczy z Uniwersytetu Minnesoty opracował nowatorski biotusz, który za pomocą techniki biodruku 3D umożliwił stworzenie prawidłowo funkcjonującego serca. Odpowiedni biomateriał uzyskano wykorzystując pluripotencjalne [1] komórki macierzyste, co pchnęło naprzód badania nad możliwością wydruku trójwymiarowej repliki aortalnej o większej ilości przedsionków i komór, oraz o grubszej ścianie komórkowej niż kiedykolwiek wcześniej.

W przeciwieństwie do innych technik, druk 3D oferuje badaczom najefektywniejsze metody wytwarzania skomplikowanych struktur i tkanek.  Wykorzystując wysoce proliferacyjne [2] komórki macierzyste zespół z Minnesoty chciał wywołać różnicowanie się kardiomiocytów [3] in situ, tak aby dostosowywały się do tkanek mięśnia sercowego i przyjmowały odpowiednie funkcje.

W tym celu zespół potrzebował biotuszu, który podtrzymywał żywotność komórek oraz umożliwiał proliferacje hiPSC oraz późniejsze różnicowanie się materiału w kardiomiocyty. Otrzymano nowatorski biotusz zdolny do precyzyjnego deponowania wraz z zachowaniem dokładności przestrzennej; udało się to dzięki dopracowaniu formuły ECM, bazującej na wcześniejszych badaniach zajmujących się różnicowaniem komórek w kardiomiocyty.

[1] Pluripotencjalność – zdolność pojedynczej komórki do zróżnicowania się w dowolny typ komórek;

[2] Proliferacja – zdolność rozmnażania się komórek;

[3] Kardiomiocyt – komórka mięśniowa serca;

Rysunek 1 Schemat różnicowania się komórek w tkanki mięśnia sercowego do 24 dnia od wydruku

Zastosowanie żywej, zwartej tkanki mięśnia sercowego w celu osiągnięcia funkcjonującej pompy jeszcze się nikomu nie udało.  Jest to zapewne spowodowane trudnościami wynikającymi z potrzeby generacji dużych zagęszczeń kardiomiocytów – komórek wyjątkowo opornych na proliferację. Osiągalną alternatywą okazało się być wykorzystanie ludzkich, pluripotencjlanych komórek macierzystych; materiału który może uzyskać wysokie zagęszczenie i wypełnić przestrzenie między tkankami, a w konsekwencji zróżnicować się w komórki kardiomiotyczne.

Wydruk 3D całego ludzkiego serca

Proces tworzenia serca rozpoczęto od opracowania nowego biotuszu – następnie, posługując się obrazem uzyskanym techniką rezonansu magnetycznego, odtworzono strukturę serco-podobną, z zachowaniem dwóch komór oraz doprowadzenia i odprowadzenia naczyniowego. Po procesie namnażania się komórek do odpowiedniego zagęszczenia, badacze rozpoczęli ich różnicowanie, przypisując im różne funkcje, zależnie od lokalizacji w strukturze. Przegroda między komorami została częściowo zlikwidowana, aby ułatwić przepływ składników odżywczych, a cała struktura została ograniczona do dwóch połączeń naczyniowych; mimo tych uproszczeń serce wykazywało dobrą funkcjonalność oraz wytrzymałość. 

Aby sprawdzić poprawność strukturalną sztucznego serca, zespół porównał jego skany z rekonstrukcją 3D, za pomocą rezonansu magnetycznego. Aż 86% wydrukowanej struktury znalazło się w odległości jedynie 0,5 mm od granic wzorca.

Po 14 dniach 90% objętości struktury, wydrukowanej za pomocą nowatorskiego biotuszu, wypełniło się komórkami macierzystymi; w ciągu 6 tygodni rejestrowano bardzo niską śmiertelność komórek wewnątrz modelu aortalnego, co sugerowało utrzymywanie się dobrego stanu komórek.

Rysunek 2 Schemat produkcji serca z biodrukarki 3D

Dostarczenie komórek i zróżnicowanie ich do spełnienia różnych funkcji, umożliwiło sercu pompowanie krwi, czyli „bicie”. W celu określenia, w jakim stopniu funkcje elektromechaniczne zostały zachowane, dla całej objętości organu mierzono czynność elektryczną, poprzez pomiar przepływu wapnia w losowo wybranych rejonach, w okresie 6 tygodni życia serca. Największa wartość pików amplitudy nie zmieniła się na przestrzeni 6 tygodni; częstotliwość bicia serca również nie ulegała zmianom, a cała struktura wykazała potencjał do przeżycia znacznie dłuższego czasu.

Po zakończeniu eksperymentu zespół z Minnesoty oświadczył, że udało się im stworzyć pierwsze wytrzymałe, elektromechanicznie funkcjonalne, unaczynione, z zachowaniem struktury komorowej sztuczne serce. Narząd demonstrował stałe reakcje na otoczenie w przeciągu 6 tygodni trwania badania. Udało się osiągnąć maksymalną grubość ściany serca, dochodzącą do 500 μm [4] – jest to wyniki nie tylko wyższy niż dla jakiekolwiek wcześniej uzyskanego modelu jednokomorowego, lecz również wysnuto wniosek, że grubsze ściany organu zwiększają objętość wypompowywanej krwi, co oznacza wyższą wydajność serca jako pompy.

Sukces tego eksperymentu oznacza możliwość wykorzystania sztucznych organów w przyszłości np. do badań farmaceutycznych. Taka metoda prowadzenia badań może wesprzeć przemysł testów medycznych oraz przedklinicznej kardiologii, jak i przetrzeć szlaki w celu opracowania metody gotowej do wykorzystania w transplantacji klinicznej.

Sukces ten jest krytycznym krokiem naprzód w technikach produkcji makroskalowych tkanek, posiadający ogromną przewagę, polegającą na możliwości zachowania geometrii odtwarzanej struktury, właściwości niezbędnej do uzyskania funkcjonujących organów, jak nasze „bijące” serce. W przyszłości organoidy tego typu mogą posłużyć jako podstawa testów dla urządzeń medycznych, a nawet doprowadzenia do wykorzystania biodrukowanych tkanek w celach terapeutycznych.

[4] 500 μm  czyli 0,05 cm; natomiast średnia grubość ściany naturalnego serca wynosi 1,5 cm.

Serca z drukarki

Technika biodruku 3D była już szeroko wykorzystywania w badaniach nad możliwością stworzenia sztucznego serca, lub przynajmniej organu serco-podobnego. Biomedycy z teksańskiego uniwersytetu The University of Texas w El Paso oraz teksańskiego centrum naukowego Texas Tech University Health Sciences Center w El Paso byli w stanie wydrukować mini-serca używając techniki biodruku 3D. Wyniki ich badań zostały wysłane na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ang. International Space Station, ISS) w celu przeprowadzenia badań nad reakcjami tkanek sercowych na warunki mikrograwitacji panującymi na stacji.

Grupie izraelskich naukowców, z Uniwersytetu w Tel Avivie (TAU), udało się zaprojektować oraz wyprodukować na biodrukarce 3D model całego serca wraz z „komórkami, naczyniami krwionośnymi, przedsionkami oraz komorami”. Niestety, serce to nie funkcjonowało prawidłowo, a właściwie – wcale. Nie przeszkodziło to jednak mediom podchwycić tematu i wypromować wydrukowane techniką biodruku 3D izraelskie serce jako cud nowoczesnej biotechnologii.

BIOLIFE4D – biotechnologiczna firma z Chicago – zademonstrowała możliwość druku 3D tkanki ludzkiego serca. Firma aspiruje, aby udoskonalić tę technologię tak, aby była gotowa na druk 3D zastawek, naczyń krwionośnych, miniaturowych organów oraz pełnego ludzkiego serca.

Źrodło: https://3dprintingindustry.com/news/university-of-minnesota-researchers-use-3d-bioprinting-to-create-beating-human-heart-173210/