Drukowana przyszłość transplantologii, czyli jak urzeczywistniła się fantastyka naukowa
Technologia druku 3D stanowi jedną z najbardziej przełomowych technologii, które pojawiły się w ostatnich dekadach. Elementy drukowane w technologii 3D, choć nadal wzbudzają wiele emocji, już na stałe zagościły w produktach codziennego użytku. Najbardziej pasjonujące wydaje się biodrukowanie potencjalnie znajdujące szerokie zastosowanie w medycynie.
Dziedziny, w których drukowanie znalazło zastosowanie to np. sprzęt sportowy, akcesoria medyczne, implanty, protezy, meble, części do samochodów i samolotów, a nawet budownictwo. Ciekawym przykładem, obrazującym wielkoskalowe możliwości tej technologii jest wydrukowany całkowicie w technologii 3D, 12 metrowy most dla pieszych w Amsterdamie, wykonany ze stali nierdzewnej. Most został zamontowany nad kanałem Oudezijds Achterburgwal w lipcu 2021 r. i funkcjonuje do dziś, stanowiąc niebywałą atrakcję dla turystów.
Biodrukowanie w medycynie
Biodruk trójwymiarowy (3D) to obiecująca i innowacyjna strategia wytwarzania umożliwiająca precyzyjne umieszczanie substancji biologicznych, w tym żywych komórek i składników macierzy pozakomórkowej, w określonej hierarchicznej organizacji 3D w celu tworzenia sztucznych wielokomórkowych układów, tkanek czy narządów. Biodruk 3D umożliwia wytwarzanie konstrukcji biologicznych podobnej do ich natywnych odpowiedników.
Opracowanie żywych i funkcjonalnych tkanek czy całych organów za pomocą sztucznych środków, potencjalnie daje niezliczone korzyści w dziedzinie przeszczepiania tkanek i narządów, co w świetle ciągle niedostatecznej ilości dawców lub braku zgodności tkankowej wydaje się idealnym rozwiązaniem.
Brzmi jak opowieść mistrza Lema, ale to już się dzieje!
Pierwszym organem wydrukowanym w 3D, który został przeszczepiony człowiekowi w 1999 roku, był pęcherz moczowy. Dokonali tego naukowcy z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine. O skali sukcesu tego przedsięwzięcia niech zaświadcza fakt, iż sztuczny pęcherz nadal służy i w pełni funkcjonalnie już od ponad kilkudziesięciu lat.
W 2022 r. w San Antonio w Teksasie dokonano pierwszego funkcjonalnego przeszczepienia ucha zewnętrznego. Szczęśliwą właścicielką nowej części ciała została 20-letnie kobieta, która urodziła się bez jednego ucha. Nowo wydrukowane ucho zostało skonstruowane w rozmiarze i kształcie lewego ucha kobiety.
United Therapeutics Corporation wydrukowała w technologii 3D rusztowanie ludzkich płuc. Z 4000 kilometrami naczyń włosowatych i 200 milionami pęcherzyków płucnych, są one zdolne do wymiany tlenu w modelach zwierzęcych. Stanowi to milowy krok w kierunku stworzenia funkcjonalnych, nadających się do przeszczepu ludzkich płuc. Celem zespołu United Therapeutics Corporation jest dopuszczenie do badań na ludziach, w ciągu kolejnych pięciu lat.
W Wake Forest Institute for Regenerative Medicine naukowcy opracowali mobilny system biodruku skóry. Przewidują oni, że w niedalekiej przyszłości będą w stanie umieścić drukarkę bezpośrednio przy łóżkach pacjentów cierpiących z powodu niegojących się ran, takich jak oparzenia. Po zeskanowaniu i zmierzeniu obszaru rany, nastąpi wydruk brakującej skóry, warstwa po warstwie, bezpośrednio na powierzchni rany. Zespół ten poszedł nawet dalej drukując w 3D konstrukcje mięśni szkieletowych, które, jak wykazano na testach u gryzoni, kurczą się i odzyskują ponad 80% wcześniej utraconej funkcji mięśni przedniej części nogi, w ciągu ośmiu tygodni.
Wielowarstwowa skóra, kości, struktury mięśniowe, naczynia krwionośne, tkanka siatkówki, a nawet mini-organy, wszystko to już zostało wydrukowane w 3D. Chociaż żaden z wymienionych produktów nie został jeszcze zatwierdzony do stosowania u ludzi, tempo wyścigu po naukowej osi czasu zapiera dech w piersiach.
Bioniczna trzustka z Polski
W dziedzinie biodruku 3D mamy też czym się pochwalić na rodzimym, polskim rynku. Zespół naukowo-badawczy firmy Polbionica pod kierunkiem Dr n med. Michała Wszoły w 2019 r. zrealizował pierwszy w świecie, udany prototyp w pełni funkcjonalnej bionicznej trzustki wraz z układem naczyniowym w technologii biordruku3D. Oznacza to ni mniej, ni więcej, że nasi naukowcy wydrukowali funkcjonalny prototyp trzustki, w którym osiągnięto stabilny przepływ krwi u świń podczas dwutygodniowego okresu obserwacji.
Wielki potencjał dla badań klinicznych
Warto podkreślić, że biodruk 3D to nie tylko drukowanie narządów na potrzeby przeszczepów. Ważnym trendem jest również jego potencjał w badaniach klinicznych i przesiewowych nowych leków.
Przełomowym osiągnięciem naukowcy z Uniwersytetu Minnesota w kwietniu 2019 r. było stworzenie w warunkach laboratoryjnych dynamicznego, biodrukowanego modelu 3D nowotworu. Ten innowacyjny model stanowi cenne narzędzie do testowania leków przeciwnowotworowych i badania ich wpływu na częstość występowania nowotworów i początkowe stadia nowotworu.
Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków rozważa biodruk 3D jako realną alternatywę do oceny bezpieczeństwa i skuteczności leków. Rozwiązanie to byłoby zgodne z obecnym kierunkiem rozwoju badań, który zakłada ograniczanie lub całkowite zaprzestanie prowadzenia testów na zwierzętach.
Gratka dla inwestorów
Globalny rynek biodrukowania 3D wyceniono na 2 miliardy dolarów w 2022 r. i oczekuje się, że w latach 2023–2030 ta kwota będzie rosła przy rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 12,5%.
Nic więc dziwnego, że ze względu na coraz większe zainteresowanie tą technologią, wiele firm decyduje się na opatentowanie swoich wynalazków. Jest to właściwym sposób zabezpieczenia innowacji związanych z biodrukowaniem. Przedmiotem zgłoszeń i patentów są głównie materiały do biodrukowania, urządzenia oraz wyposażenie do biodrukarek: bioatramenty, rusztowania i odpowiednie oprogramowania. Rezultaty biodruku, w postaci biodrukowanych tkanek i narządów, wydają się mniej istotne, ze względu na ograniczoną zbywalność, jednak same w sobie, jako produkty, biodruki mają zdolność patentową i nie są wyłączone spod patentowania.
Kolorowy wachlarz innowacji
Ze statystyk wynika, że do tej pory zgłoszono ponad 8000 wynalazków związanych biodrukowaniem, z czego ponad połowa tych wynalazków została zgłoszona w Chinach i USA.
Wynalazki te stanowią kolorowy wachlarz innowacji, jak na przykład patent US 11,559,389 udzielony na rzecz International Business Machnies Corporation. Jest to sztuczny język, który zawiera tkankę wytworzoną w procesie biodrukowania, antenę osadzoną w tkance języka i skonfigurowaną do bezprzewodowego odbierania energii z urządzenia zewnętrznego, Procesor osadzony w tkance języka funkcjonalnie połączony z anteną, oraz element piezoelektryczny osadzony w tkance języka i funkcjonalnie połączony z procesorem, przy czym element piezoelektryczny jest skonfigurowany tak, aby odkształcać się w odpowiedzi na przyłożone napięcie.
Równie ciekawy jest patent US 11,559,607, udzielony na rzecz Harvard College, dotyczący urządzenia, w którym można umieścić żywy, perfundowany konstrukt tkankowy, który może kondycjonować krew i działać jako całkowite lub częściowe zastąpienie narządu, a także sposoby jego wytwarzania. Konstrukt żywej tkanki otrzymanej za pomocą biodrukowania 3D umieszczony w aparacie można wszczepić in vivo i może on całościowo lub częściowo zastąpić narząd u pacjentów będących ssakami (człowiek, pies, kot itp.).
Widać horyzont czasowy
Większość badaczy uważa, że pełnowymiarowe przeszczepy narządów wydrukowanych w 3D u ludzi są czymś odległym, możliwym dopiero za 20 do 30 lat. Naukowcy wierzą jednak, że ostatecznie nie będziemy potrzebować serc czy wątroby od dawców. Ci bardziej śmiali twierdzą, że za mniej niż 20 lat będziemy mieć w sobie wydrukowane organy. Tak więc nasza przyszłość rysuje się bardzo optymistycznie, a to co jeszcze kilka dekad temu było jedynie fantastyką naukową materializuje się, a właściwie drukuje, na naszych oczach.
Autorki:
