Rozwój i komercjalizacja druku 3D w medycynie

Kluczowe informacje:

• W Polsce na ten moment na przeszczep narządu czeka blisko 2 tysiące osób.
• Coraz częściej w środkach masowego przekazu padają informacje o innowacjach w drukowaniu narządów 3D.
• Inżynieria tkankowa jest dziedziną nauk zajmującą się wykorzystaniem wiedzy medycznej i inżynierii materiałowej do produkowania zamienników uszkodzonych narządów i tkanek.
• Inżynieria tkankowa jest dziedziną, która rozwija się w dynamicznym tempie, poprzez wprowadzanie licznych innowacyjnych technologii.
• Wszczepienie w pełni funkcjonujących wydrukowanych narządów do ciała człowieka byłoby prawdziwą rewolucją w świecie medycyny, na którą niestety musimy poczekać najpewniej co najmniej parę lat.
• W marcu 2019 roku w mediach było głośno o dużym sukcesie Polaków, którym udało się wydrukować pierwszy, w pełni funkcjonalny prototyp trzustki.
• Stworzenie odpowiednich warunków przypominających ludzki organizm w bioreaktorze, temat druku 3D nadal pozostaje tematem przyszłości.
• Wszystko, co jest wszczepiane w ludzki organizm, musi być wytworzone na certyfikowanych urządzeniach, zgodnych z normami medycznymi.
• Inżynieria tkankowa jest dziedziną, która rozwiązuje wiele problemów medycyny.

Szczegóły poniżej!

W Polsce na ten moment na przeszczep narządu czeka blisko 2 tysiące osób. Z czego co najmniej kilkadziesiąt osób – w trybie pilnym. Do niedawna jedynym możliwym rozwiązaniem dla polepszenia jakości zdrowia tej grupy społeczeństwa było pozyskanie organów od potencjalnego dawcy. Jednak coraz częściej w środkach masowego przekazu padają informacje o innowacjach w drukowaniu narządów 3D. Na jakim etapie zaawansowania jest rynek druku 3D w medycynie i czy drukowanie organów w przyszłości będzie procesem niestanowiącym żadnego problemu? A może stworzone za pomocą tej techniki narządy będą widniały na półkach sklepowych?

Inżynieria tkankowa – czym tak naprawdę jest?

Inżynieria tkankowa jest dziedziną nauk zajmującą się wykorzystaniem wiedzy medycznej i inżynierii materiałowej do produkowania zamienników uszkodzonych narządów i tkanek. Pierwsze starania przy naprawianiu ubytków w ciele były podejmowane już za czasów starożytnych Egipcjan, którzy wierzyli w życie pozagrobowe i niezwykle dbali o spójność ciała. Badania archeologiczne udowodniły, że już wtedy stosowano na przykład protezy zębowe. Jednak sam termin inżynierii tkankowej powstał dopiero w 1988 roku podczas spotkania Narodowej Fundacji Nauki. W latach dziewięćdziesiątych nastąpił gwałtowny wzrost badań nad opracowaniem zamienników dla niemalże każdego narządu oraz wprowadzone zostały liczne innowacje, co było krokiem milowym dla rynku druku 3D w medycynie.

Proces drukowania

Aby zacząć proces biodruku narządu lekarze zwykle zaczynają od biopsji – pobrania części narządu lub usuwania niewielkiego kawałku tkanki. Dzięki temu możliwe jest rozdzielenie komórek i hodowanie ich poza organizmem człowieka. Rozwój komórek ma miejsce wewnątrz specjalnego, sterylnego inkubatora lub bioreaktora, które swoimi warunkami przypominają wewnętrzną temperaturę i natlenienie ludzkiego ciała. Następnie komórki pozostają zmieszane z biotuszem, którego niekomórkowa część może być wykonana w laboratorium. Biomateriały używane przy procesie drukowania muszą być nietoksyczne, biodegradowalne i biokompatybilne, w celu uniknięcia negatywnej reakcji organizmu.

W następnym etapie lekarze wkładają biotusz do komory drukującej. Drukarki są zaprogramowane w ten sposób, że zawierają dane obrazowe pacjenta pochodzące ze zdjęć rentgenowskich i skanów. Dzięki temu możliwe jest stworzenie tkanek o spersonalizowanych właściwościach. Długość procesu drukowania zależy od wielu czynników, na przykład od rodzaju drukowanego narządu czy tkanki. Zazwyczaj jednak trwa on od kilku do kilkunastu godzin.

Kiedy narządy zostają pobrane od dawcy, konieczne jest natychmiastowe umieszczenie ich w bioreaktorze, ponieważ w innym przypadku komórki umrą. Ponadto, konieczna jest perfuzja narządu, polegająca na dostarczeniu mu płynu (zwykle krwi lub jej substytutu). W przypadku druku organów istnieje wiele kwestii i wyzwań, które muszą być wykonane, aby wydrukowany organ funkcjonował jak prawdziwy, ludzki narząd w ciele. Po wszczepieniu pacjentowi wydrukowanego narządu będzie on z czasem ulegał degradacji. Część osób może pomyśleć, że wtedy tkanka się rozpadnie. Nic bardziej mylnego! Komórki wyczuwają wówczas, że most ustępuje i nie mają już stabilnego oparcia. Tworzą one wtedy swój własny klej oraz most – tak jak robią to w każdym organizmie ludzkim.

Na jakim poziomie zaawansowania jesteśmy, jeśli chodzi o biodruk?

Mimo tego, że inżynieria tkankowa jest dziedziną, która rozwija się w dynamicznym tempie, poprzez wprowadzanie licznych innowacyjnych technologii, wszczepienie w pełni funkcjonujących wydrukowanych narządów do ciała człowieka byłoby prawdziwą rewolucją w świecie medycyny, na którą niestety musimy poczekać najpewniej co najmniej parę lat. Jednak, kiedy już społeczeństwo osiągnie ten etap, komercjalizacja biodruku nie powinna być problemem.

Na całym świecie zapotrzebowanie na przeszczep organów jest ogromne. Powoduje to ciągły wzrost liczby innowacji, badań i prac nad drukiem narządów. Osoby, którym uda się doczekać przeszczepu, muszą przez resztę swojego życia przyjmować specjalne leki immunosupresyjne, w celu zapobiegania odrzucenia organu. W przypadku drukowania sytuacja wyglądałaby zupełnie inaczej. Zapewniłoby ono wystarczającą liczbę tkanek do przeszczepu, które byłyby drukowane z komórek pacjenta – a więc ryzyko odrzucenia będzie znacznie mniejsze.

Sukces Polski w druku 3D

W marcu 2019 roku w mediach było głośno o dużym sukcesie Polaków, którym udało się wydrukować pierwszy, w pełni funkcjonalny prototyp trzustki. Zespół pod kierownictwem dr hab. med. Michała Wszoły zaraz po wydrukowaniu narządu rozpoczął jego testy na zwierzętach. Wyniki badań były bardzo obiecujące, a materiał, z którego wykonana była trzustka, okazał się zupełnie nietoksyczny. Organ był sprawny, przez co zespół przygotowuje się do przeprowadzenia kolejnych badań, które finalnie pozwolą rozwinąć opracowaną technologię na tyle, aby możliwe było przeprowadzenie kolejnych badań z udziałem ludzkiego organizmu. Jednak ze względu na szereg trudności i wymagań związanych z drukowaniem, takich jak stworzenie odpowiednich warunków przypominających ludzki organizm w bioreaktorze, temat druku 3D nadal pozostaje tematem przyszłości. Stworzenie w pełni funkcjonalnego organu, gotowego do wszczepienia w organizm ludzki jest problematyczne i wymaga wielu badań oraz testów.

Czy drukowanie narządów w przyszłości w domu jest możliwe?

Wszystkie wydruki biologiczne muszą być drukowane na specjalnych biodrukarkach 3D. Mimo, że taką drukarkę można stworzyć samemu (która – jak twierdzą naukowcy z Uniwersytetu Carnegie Mellon – jest możliwa do zbudowania nawet za 500 USD), to nadal musi ona spełniać szereg wymagań i norm, ponieważ do wydrukowania organu są potrzebne żywe komórki, które muszą być utrzymywane w odpowiednich warunkach, co nie jest łatwe do zrealizowania.

Co więcej, wszystko, co jest wszczepiane w ludzki organizm, musi być wytworzone na certyfikowanych urządzeniach, zgodnych z normami medycznymi. W związku z tym, nawet jeśli biodrukarkę zbudujemy sami – nie będzie ona certyfikowana i dlatego drukowanie biologiczne w domu nie będzie możliwe. Wytworzony materiał musi być biokompatybilny – w innym przypadku może powodować niepożądane skutki w ludzkim organizmie, ponadto kolejną przeszkodę stanowią także regulacje prawne.

Biodruk mózgu

Naukowcy z Uniwersytetu w Montrealu, Federalnego Uniwersytetu Santa Catarina i Uniwersytetu Concordia poinformowali, że udało im się wydrukować żywe komórki mózgu myszy za pomocą technologii biodruku. Zdecydowana większość neuronów po dwóch dniach od wydrukowania nadal pozostawała żywa. Przeprowadzone zostały liczne badania w celu określenia zdolności komórek, co może znacznie pomóc w rozwoju tego rynku.

Jednak mimo licznych postępów w tej dziedzinie zamienniki komórek i wydrukowanie w pełni
funkcjonującego mózgu nadal pozostaje kwestią przyszłości. Potrzebujemy licznych badań, testów, czasu oraz pomocy finansowej, aby biodruk mógł być skomercjalizowany.

Sukces coraz bliżej

Inżynieria tkankowa jest dziedziną, która rozwiązuje wiele problemów medycyny. Mimo licznych innowacji i badań wciąż jednak musimy poczekać na rozwój tego rynku, oraz na to, aby wszczepianie narządów wytworzonych za pomocą biodrukarki stało się normą. Wspólny wysiłek lekarzy i naukowców coraz częściej przynosi obiecujące rezultaty, a w mediach możemy usłyszeć o kolejnych sukcesach w transplantologii wykorzystującej tę technologię. Rozwój tej dziedziny jest niezwykle ważny i mógłby zupełnie zrewolucjonizować świat medycyny, ratując tym samym życie wielu osób.