Uwielbiamy czytać o cudownych technologiach osadzonych w bliżej nieokreślonej przyszłości, o bionicznych organach, sztucznej inteligencji i podróżach planetarnych. Jak jednak zrozumieć długą i krętą drogę od teraźniejszości do jednej z tysięcy wersji świetlanych futuryzmów? Części odpowiedzi dostarczają nam bieżące opracowania naukowe i zarysowywane przez nie kierunki i wizje.

Dziś skupimy się na artykule naukowym pracowników naukowych Fundacji Badań i Rozwoju Nauki, który stanowi przegląd informacji o technikach umożliwiających uzyskanie biodrukowanych, bionicznych tkanek i narządów. Autorzy ściśle współpracują z Sygnis Bio Technologies, prowadząc badania z wykorzystaniem biodrukarki Cellink BioX.

Dynamiczny rozwój medycyny jest wspierany przez prężnie rozwijające się techniki biodruku oraz tzw. organów na chipach (ang. Organ On-A-Chip, OOC). Do tej pory powszechnie stosowane modele biologiczne, które bazują na dwuwymiarowych hodowlach komórek, zostają powoli wypierane przez dużo bardziej wydajne techniki 3D. Powstają obiecujące alternatywne rozwiązania czerpiące
z najnowszych osiągnięć nauki takie, jak systemy mikroprzepływowe nazywane organami na chipach czy biodruk 3D całych jednostek organowych. Żywe tkanki hoduje się w laboratoriach do badań nad ich reakcjami na testowane leki czy kosmetyki.

Postęp w  nowoczesnych technikach inżynierii chemicznej i materiałowej miał swój wkład do technik biodruku oraz technologii OOC. Ta ostatnia jest doskonałym narzędziem do badań nad rozwojem chorób na poziomie komórkowym oraz farmakokinetyki różnych typów komórek w obrębie jednego lub kilku narządów. Pomaga również śledzić reakcje wybranych tkanek lub narządów na testowane leki.

Technologia OOC

System organ-on-a-chip jest innowacyjną technologią, która poprzez wykorzystanie kontrolowanych warunków pozwala na monitorowanie interakcji międzykomórkowych. Jest szczególnie obiecującym rozwiązaniem dzięki szybkości początkowej ewolucji toksyczności leku, co pozwala skrócić liczbę badań przedklinicznych. Jednakże, rozwiązanie to nie jest w stanie całkowicie naśladować funkcjonowania organu, fizjologii choroby czy odpowiedzi odpornościowej. Ten system w założeniu ma generować reakcje w bardzo małych objętościach, ale dających się odwzorować w większej skali.

Organy na chipach tworzy się poprzez kultywacje komórek w komorach i kanałach, które zostały zaprojektowane tak, aby można było łatwo naśladować biologiczne i fizjologiczne właściwości tkanek lub całych organów. Odwzorowanie kompletnego funkcjonowania struktury wymaga zachowania realistycznych warunków takich jak ciśnienie, przepływ, składniki odżywcze oraz obecność toksyn
i leków.

Do tej pory udało się stworzyć wątrobę, nerki, jelito, płuco, serce, mózg, skórę oraz węzły chłonne na chipach. Wyniki te udało się otrzymać dzięki postępom w wielu dziedzinach nauki, a  nieustanny rozwój tej techniki stał się podstawą alternatywnych testów in vivo.

Jednak, mimo szybkiego rozwoju techniki OOC, organy na chipach nie są w stanie zastąpić testów przeprowadzanych na zwierzętach. Głównym ograniczeniem jest brak rozwiniętego układu naczyniowego, co uniemożliwia wymianę składników odżywczych i gazów, oraz odwzorowanie struktury naturalnej tkanki. Rozwiązanie tych problemów można znaleźć w biodruku 3D.

Biodruk 3D

Wysiłki nad wygenerowaniem zaprojektowanych tkanek stale postępują – na dłuższą metę istnieje nadzieja, że pozwolą one na znaczną poprawę jakości życia pacjentów i chorych na całym świecie. Pomimo licznych trudności napotykanych w dziedzinie inżynierii biomedycznej, sam biodruk 3D wydaje się być odpowiednim rozwiązaniem dla problemów świata naukowego oraz medycznego.

Odpowiednia metoda biodruku 3D wybierana jest na podstawie używanego biotuszu i jego właściwości (np. lepkość). Do najczęściej stosowanych metod należą mikroekstruzja, inkjet, metoda laserowa oraz stereolitografia. Każda z metod posiada swoje wady i zalety, wybór jest uzależniony od dostępnych środków oraz oczekiwanego efektu – np. metoda stereolitograficzna jest jedną z najlepiej przystosowanych dla biotuszy o wysokiej lepkości, ale wykorzystywane do ich utwardzania światło UV uszkadza DNA komórek.

Poszukiwanie nowych metod testowania leków oraz produktów kosmetycznych stało się priorytetem w dzisiejszym świecie badań przedklinicznych. Ich głównym założeniem jest uzyskanie precyzyjnej reakcji na lek w tkance badanej in vivo. Badania łączą druk skafoldów 3D razem z drukiem 3D – np. w pracy nad biologią guzów oraz ich odpowiedzią na leki. Uzyskane wyniki są obiecujące nie tylko dla wykorzystania tej metody w testach leków, ale również jako sposób ograniczenia wykorzystywania zwierząt w laboratoriach.

Ponadto, biodruk 3D może zostać wykorzystany w celach edukacyjnych – drukowane organy posłużyłyby za modele demonstracyjne, zamiast stosowanych powszechnie preparatów oraz przeprowadzanych sekcji. Pozwoliłoby to na wizualizację patologii chorób jak również zrozumienie procesów komórkowych. Biodruk 3D stałby się również wartościowym narzędziem tworzenia przedoperacyjnych modeli anatomicznych.

W dłuższej perspektywie biodruk 3D zostałby wykorzystany w celach transplantologicznych – drukowanie narządów gotowych do przeszczepu, z obniżonym ryzykiem odrzutu, ze względu na personalizację tkanek dla każdego pacjenta. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) na świecie przeprowadza się 130 000 przeszczepów rocznie, co pokrywa jedynie około 10% zapotrzebowania. Biodruk 3D organów pomógłby poprawić te statystyki oraz zmniejszyłby szanse niepowodzenia operacji.

Szansa dla naszych futrzanych przyjaciół

Koncerny farmaceutyczne przeznaczają znaczne sumy na proces testowania leków, mimo że istnieje jedynie 50% prawdopodobieństwo, że lek faktycznie trafi na rynek. Warto również wspomnieć, że przed wprowadzeniem leku, musi on przejść szereg kosztownych oraz czasochłonnych – nawet od 12 do 15 lat – testów.

Wykorzystanie bionicznych modeli jest w stanie skrócić czas oraz ograniczyć koszty badań. Co jednak znacznie istotniejsze – pozwoli to na redukcję ilości zwierząt wykorzystywanych do badań nad lekami oraz kosmetykami.

Obliczono, że obecnie ponad 100 milionów zwierząt rocznie ginie w laboratoriach do badań naukowych, kosmetycznych, biomedycznych oraz farmaceutycznych. Podnoszone głosy o zmniejszeniu, a na dłuższą metę wyeliminowaniu zwierząt z badań laboratoryjnych oraz poprawie jakości ich życia, są pod względem etycznym jak najbardziej zrozumiałe, dlatego z niecierpliwością oczekuje się nowego rozwiązania. Zakłada się, że komercjalizacja funkcjonalnych, unaczynionych modeli tkanek otrzymanych metodą biodruku 3D, jest w stanie ograniczyć liczbę zwierząt wykorzystywanych w nauce o nawet 23-55%.

Wielkie nadzieje

Biodruk 3D oraz organy na chipie są wspaniałymi alternatywami dla powszechnie stosowanych technik. Biodruk pozwala na konstrukcję żywych, funkcjonalnych struktur 3D, które mogą zostać użyte w badaniach laboratoryjnych firm farmaceutycznych i kosmetycznych. Modele 3D charakteryzują się bardziej wiarygodnymi wynikami niż te otrzymane z testów na zwierzętach.

Obie te metody mają szansę wywrzeć ogromny wpływ na nowoczesną medycynę i ochronę zdrowia na całym świecie. Otwierają nowe możliwości zaspokojenia potrzeb medycznych, w dziedzinach takich, jak medycyna regeneracyjna czy transplantologia.

Autor: Marta Robak

Źródło: „Novel Strategies in Artificial Organ Development: What Is the Future of Medicine?” MDPI