Bioniczne narządy, rewolucja, na którą czekamy. Na czym polega biodrukowanie narządów?

Bioniczne narządy z drukarki 3D wkrótce zastąpią uszkodzone organy. Nowatorska technologia biodruku 3D zapowiada rewolucję w medycynie.

Technologia druku 3D znana jest od lat 80. XX wieku. W miarę jej rozwoju i udoskonalania materiałów wykorzystywanych do drukowania, nastąpił podział na dwie kategorie: druku 3D i biodruku 3D. Co zatem je różni? Druk 3D polega na wytwarzaniu trójwymiarowych konstrukcji (implantów, rusztowań) zarówno z polimerów naturalnych jak i syntetycznych, które następnie mogą być wykorzystywane w badaniach naukowych jak i medycynie. Obecnie z powodzeniem drukowane są już kości i chrząstki, dzięki czemu druk 3D znajduje szerokie zastosowanie w ortopedii i stomatologii.

Technologia biodruku 3D jest bardziej skomplikowana i polega na wytwarzaniu żywych konstruktów ze specjalnych biotuszy, w których zawieszone są żywe komórki. Włókna nakłada się warstwowo na siebie i je utrwala. W wyniku tego procesu powstaje przestrzenna struktura złożona z żywych komórek zawieszonych w biotuszu. Biotusze stosowane w biodruku 3D muszą wykazywać się szerokim spektrum cech biofizycznych, takich jak drukowalność, lepkość, degradacja czy usieciowanie. Dzięki nim możliwe jest formowanie precyzyjnych, stabilnych rusztowań oraz zapewnienie odpowiednich warunków umożliwiających zagnieżdżanie się w nich komórek. W zależności od zastosowanego typu komórek uzyskiwane są różnorodne modele badawcze znacznie lepiej odzwierciedlające środowisko tkankowe niż tradycyjne hodowle komórkowe. Cały proces można porównać do budowy domu, gdzie cegły są komórkami, a zaprawą scalającą jest właśnie biotusz.

Obecnie rozwój technologii i materiałów do biodruku 3D, jest jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi medycyny, szczególnie zaś medycyny regeneracyjnej i farmakologii. Naukowcy na całym świecie pracują nad wykorzystaniem biodruku 3D w medycynie spersonalizowanej, czyli indywidualnym doborze terapii leczniczej dla pacjenta oraz nad wytworzeniem modeli tkankowych, na których firmy farmaceutyczne będą prowadziły badania fazy przedklinicznej, które w chwili obecnej są realizowane na modelach zwierzęcych. Takie rozwiązanie w sposób istotny ograniczyłoby ilość zwierząt wykorzystywanych do badań, a z czasem mogłoby zastąpić je całkowicie. Obecnie prowadzi się wiele zaawansowanych badań nad wytworzeniem modeli tkankowych, a coraz częściej pojawiają się doniesienia o wytwarzaniu funkcjonalnego sztucznego serca, płuc i trzustki. Możliwość drukowania bionarządów w technologii 3D jest szansą na rozwiązanie wielu problemów współczesnej medycyny, a przede wszystkim transplantologii.

Polską jednostką naukową prowadzącą badania nad biodrukowaniem 3D bionicznych narządów i jest Fundacja Badań i Rozwoju Nauki, gdzie od 2017 r. interdyscyplinarny zespół lekarzy, biotechnologów, inżynierów i chemików pod kierunkiem dr. hab. med. Michała Wszoły pracuje nad stworzeniem bionicznej trzustki, która w przyszłości pozwoli na wyleczenie cukrzycy typu I. Podczas prac badawczych naukowcy stworzyli innowacyjne, oparte wyłącznie na naturalnych komponentach białkowych biotusze, zaprojektowali odpowiedni model trzustki oraz wytworzyli specjalny bioreaktor, w którym bioniczna trzustka może dojrzewać i być poddawana testom oceniających jej funkcjonalność. 14 marca 2019 zespół naukowy Fundacji wydrukował w technologii biodruku 3D pierwszy na świecie, w pełni unaczyniony prototyp bionicznej trzustki. Badania wykazały, że organ produkuje insulinę, a obrazowanie rezonansem magnetycznym pokazało wierne odwzorowanie zaplanowanego układu naczyniowego. Celem zespołu naukowego dr. hab. med. Michała Wszoły jest stworzenie narządu „szytego na miarę”, który powstanie z komórek macierzystych samego pacjenta (biorcy narządu). Dzięki takiemu rozwiązaniu pacjent nie będzie musiał czekać na narząd od dawcy, a ryzyko odrzutu zostanie zredukowane, ponieważ narząd powstanie z jego własnych komórek macierzystych.

Przeszczepienie bionicznej trzustki ma przede wszystkim zapobiec rozwojowi dalszych powikłań u pacjentów zmagających się z cukrzycą typu I. Obecnie jedyną metodą na doprowadzenie do całkowitego wyleczenia jest przeszczep trzustki lub przeszczep wysp trzustkowych. Są to metody trudne i niepozbawione licznych minusów, jak przewlekła immunosupresja czy też ryzyko powikłań chirurgicznych po przeszczepieniu. Dodatkową korzyścią płynąca z powstania bionicznej trzustki będzie ograniczenie wydatków służby zdrowia. W Polsce te wydatki to ponad 9 proc. całkowitych nakładów na opiekę zdrowotną, czyli 2,5 mld złotych rocznie. Jedna piąta tej sumy przypada na leczenie samych powikłań cukrzycy. Realizacja założeń projektu mogłaby znacząco ograniczyć zarówno nakłady finansowe na leczenie pacjentów zmagających się z powikłaniami oraz koszty leczenia immunosupresyjnego. W Polsce około 20 tysięcy pacjentów z powikłaniami wtórnymi cukrzycy, mogłoby zostać zakwalifikowanych do transplantacji trzustki lub wysp trzustkowych. Tymczasem, według danych Poltranspalntu¹, w 2019 roku, od dawców pobrano 37 trzustek. Jednoczasowo, z nerką pobraną od tego samego dawcy, przeszczepiono 24 trzustki. W 5 przypadkach przeszczepiono samą trzustkę, w 5 przypadkach wyizolowane wyspy trzustkowe.

Na koniec warto zaznaczyć, że Polscy naukowcy nie są jednak jedynymi, którzy pracują nad technologią pozwalającą na wytwarzanie bionicznych narządów. Hiszpanie opracowali metodę wytwarzania za pomocą biodruku 3D dwuwarstwowej ludzkiej skóry. W badaniach wykazano, że bioniczna tkanka jest na tyle podobna do normalnej ludzkiej skóry, że trudno ją odróżnić. Ostatnio pojawiły się również doniesienia o biodruku 3D rogówki. Z sukcesem wykazano, że parametry mechaniczne bionicznego modelu są zbliżone do właściwości natywnej rogówki. Badacze z Izraela z dużym entuzjazmem ogłosili sukces w zakresie biodruku ludzkiego serca. Bioniczny model charakteryzował się naturalną morfologią. Aktualnie trwają prace nad oceną strukturalną i funkcjonalną bionicznej tkanki.