Osiągnięcia w zakresie komórek macierzystych są bardzo zaawansowane. Terapie oparte na ich wykorzystaniu są już w powszechnym użytku, a naukowcy potrafią hodować z nich niemal dowolne organy. Okazuje się, że od niedawna potrafią je również… drukować!

Co mają ze sobą wspólnego: biotechnologia, przemysłowe projektowanie przestrzenne oraz zwykła drukarka atramentowa? Na pozór niezbyt wiele. Można wprawdzie wszystko to bardzo prosto połączyć: w końcu drukuje się na przykład dokumentację badań, a skomplikowane projekty mogą posłużyć do wyprodukowania wyposażenia laboratorium. Nie w tym jednak rzecz.

Rapid prototyping i drukowanie przestrzenne

„Dzięki szybkiemu prototypowaniu jesteśmy dziś w stanie wytworzyć określony fizyczny przedmiot używając komputerowego projektu i drukarki trójwymiarowej. Głównie tworzy się rozmaite modele – do zastosowań przemysłowych, wzorniczych, czy medycznych” – mówi mgr inż. Adam Dudziak, specjalista do spraw informatyki Zakładu Zarządzania Produkcją Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.

„To, co możemy zrobić, zależy od zapotrzebowania. Najczęściej przygotowuje się model do potrzeb demonstracyjnych lub naukowych, zwykle nie musi to być rzecz funkcjonująca – ma dobrze wyglądać. Przedmioty funkcjonalne najczęściej znowu nie są zbyt wytrzymałe. Oczywiście można stworzyć również projekt zarówno funkcjonalny, jak i wytrzymały - takie rozwiązania udostępnia na przykład ZCorp.” – wyjaśnia.

Szybkie prototypowanie (ang. rapid prototyping) jest wywodzącym się z zastosowań przemysłowych zestawem technik i procedur umożliwiających bardzo szybkie wykonanie modelu określonego urządzenia lub przedmiotu. Najpierw w komputerze powstaje jego projekt. Służy do tego stosowne oprogramowanie. Następnie bezpośrednio z komputera trafia on do urządzenia nazywanego drukarką trójwymiarową (3d, inaczej: przestrzenną), która działa nieco podobnie do typowej drukarki atramentowej, jaką spotkać możemy w każdym biurze.

W przeciwieństwie jednak do drukarki biurowej - drukarka 3d nie używa zwykłego tuszu. W przypadku tworzenia modeli stosuje się często… zwykły gips. W przypadku bardziej wymagających projektów - może to być także proszek metalowy lub ze specjalnych polimerów. Ten ostatni wykorzystuje się często w medycynie do budowy rusztowań dla hodowli tkanek.

Tworzenie elementu trójwymiarowego w drukarce 3d polega na drukowaniu kolejno jedna na drugiej setek tysięcy – a często nawet milionów – pojedynczych warstw o grubości od 0,01 do 0,02 mm. Istnieją już jednak technologie o znacznie większej precyzji. Rozwiązania te pozwalają operować rozdzielczością druku na poziomie molekularnym i mają przed sobą olbrzymią przyszłość w medycynie.


Wydrukuj sobie tkankę

Aby można było wykorzystać szybkie prototypowanie do kształtowania żywej tkanki, trzeba najpierw nauczyć się ją drukować. Dokonali tego – już ponad 5 lat temu – naukowcy z Carnegie Mellon University wraz z kolegami z Pittsburgha.  Udało im się stworzyć specjalny „bio-tusz” zawierający czynnik wzrostu BMP-2 oraz „papier” pokryty matrycą fibrynową (z białka fibrylarnego). Następnie zamontowali do drukarki atramentowej specjalnie zmodyfikowaną głowicę zawierającą wspomniany „bio-tusz”. Punkt po punkcie wydrukowane zostały 4 kwadraty o powierzchni 750 mikronów. W każdym z nich czynnik wzrostu układał się w różne kształty, a raczej struktury – zależnie od tego, ile razy nanoszony był w tym samym miejscu.

Tak przygotowany wydruk został wysuszony, a potem pokryty równomiernie dorosłymi komórkami macierzystymi pozyskanymi z mięśni nogi myszy. Całość umieszczono oczywiście w stosownej pożywce. Okazało się, że w miejscach, w których „papier” pokryty był czynnikiem BMP-2 komórki macierzyste uformowały… tkankę kostną, w miejscach „pustych” natomiast – mięśniową. To wynik oczekiwany, bowiem zastosowany czynnik BMP-2 odpowiada właśnie za formowanie komórek kości.

Badacze – opisując wyniki swojego doświadczenia – podkreślali olbrzymie znaczenie eksperymentu. Wcześniej oczywiście naukowcy potrafili wykształcić niemal dowolne tkanki z różnych komórek macierzystych. Teraz natomiast udało się stworzyć różne tkanki jednocześnie, z tego samego rodzaju komórek macierzystych, na dodatek – za pomocą komputerowego projektu.

Pierwszy krok do „drukowania” żywej tkanki prosto z komputera stał się rzeczywistością.


Mięśnie z komputera

„W medycynie szybkiego prototypowania i technologii druku 3d używa się najczęściej do wytworzenia precyzyjnych modeli poglądowych – na przykład na podstawie tomografii komputerowej. To olbrzymia pomoc dla chirurgów oraz doskonała pomoc naukowa i edukacyjna. Drukowanie przestrzenne można również wykorzystywać w kontekście designerskim, chociażby przy projektowaniu rozmaitych protez” – tłumaczy mgr inż. Adam Dudziak z Politechniki Poznańskiej.

Rzeczywiście, dziś wspomniane zastosowania szybkiego prototypowania są w zasadzie powszechne. Większość specjalizujących się w tej dziedzinie firm i laboratoriów nie jest jednak w stanie wytworzyć elementów na tyle zgodnych biologicznie z organizmem, by można było ich używać w charakterze „części zamiennych”. Problem rozbija się przede wszystkim o stosowane w drukowaniu przestrzennym materiały eksploatacyjne. Największe korporacje dysponują już technologiami pozwalającymi na druk w rozdzielczości molekularnej, a w charakterze „tuszu” wykorzystują specjalne mieszanki polimerowe – to jednak wciąż zbyt mało, by można było zastosować te rozwiązania na przykład w transplantologii.

Twórcy firmy Organovo z San Diego zdecydowali się zatem pójść nieco inną drogą. Zamiast poszukiwać materiałów biologicznie zgodnych z żywym organizmem – postanowili po prostu drukować gotową tkankę. W tym celu wykorzystali udoskonaloną przez siebie technologię opracowaną jeszcze w 2006 roku przez naukowców z Carnegie Mellon University, a następnie wdrożyli ją do zastosowania w drukarce 3d.

Dzięki systemowi szybkiego prototypowania oraz wykorzystaniu różnych komórek macierzystych – udało się stworzyć sztucznie ludzką tkankę mięśniową w zasadzie niczym nie różniącą się od odpowiadającego materiału pobranego bezpośrednio od człowieka. Nadrukowywane warstwa po warstwie komórki macierzyste mają możliwość interakcji – zachodzą pomiędzy nimi takie same biochemiczne reakcje, jak w normalnym organizmie.


Architektura transplantacji

Twórcy systemu – jak dotąd – „wydrukowali” między innymi całkowicie funkcjonujące mięśnie sercowe, płuc, a nawet naczynia krwionośne. Póki co, są to jeszcze niewielkie fragmenty tkanek, ale w zasadzie nic nie stoi na przeszkodzie, aby w ten sam sposób „drukować” całe organy do potrzeb transplantacji. Ponieważ byłyby tworzone z komórek macierzystych pochodzących bezpośrednio od biorcy, ryzyko odrzucenia przeszczepu malałoby niemal do zera. Dodatkowo – można by zaprojektować je tak, by idealnie odpowiadały „architekturalnie” organizmowi pacjenta.

Technologia opracowana przez Organovo jest zdecydowanie przełomowa. Jej wprowadzenie na szeroką skalę może wreszcie rozwiązać wiele problemów współczesnej transplantologii. Jedynym, czego w tej chwili potrzeba do tego, by rozpocząć eksperymentalną „produkcję” całych organów, są olbrzymie fundusze. Firma zamierza je pozyskać „drukując” fragmenty tkanek na potrzeby między innymi koncernów farmaceutycznych.

To zresztą kolejna korzyść z nowej technologii. Uzyskane z jej pomocą tkanki nadają się bowiem idealnie do testowania działania nowych leków – przede wszystkim ich toksyczności. Zainteresowanie tym rozwiązaniem wyraził już między innymi koncern Pfizer.

Jeśli więc wszystko pójdzie zgodnie z przewidywaniami, to już niedługo pojęcie „drukarka” przestanie nam się prawdopodobnie kojarzyć wyłącznie z praca biurową, a za kilkadziesiąt lat – kto wie – być może podczas operacji transplantacji chirurg po prostu na bieżąco „wydrukuje” sobie potrzebne akurat organy?   


Adam Czajczyk
zdjęcia: Organovo - drukarka tkanek, wikimedia lic. CC - rusztowanie do hodowli tkanek
Informacje technologiczne i naukowe pochodzą z Technology Review, MIT, Science oraz Organovo