Brakująca liczba dawców narządów posunęła świat nauki w celu znalezienia alternatywy dla transplantologii. W ciągu ostatnich dekad badacze w dziedzinie medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkankowej zajęli się produkcją tkanek i narządów do przeszczepów.
Prace ewoluowały, aby stworzyć coś, co uważamy za nową dziedzinę – inżynierię regeneracyjną, definiowaną jako konwergencja zaawansowanej nauki o materiałach, komórkach macierzystych i biologii rozwoju w kierunku biodrukowania narządów.
Biodruk – biologia i druk
Biodrukowanie to obiecująca technologia wytwarzania złożonych, heterokomórkowych struktur z anatomiczną precyzją. Jest używane do przygotowywania chociażby kości, ale również chrząstki, skóry, rogówki czy całych narządów (wątroby, płuc, nerek czy trzustki).
Ma na celu złagodzenie przeszkód związanych z konwencjonalnymi metodami inżynierii tkankowej poprzez precyzyjne i kontrolowane łączenie biomateriałów warstwa po warstwie w pożądany wzór 3D. Mówiąc krótko, biodrukowanie 3D można zdefiniować jako proces manipulowania komórkami stanowiącymi biotusze w celu wytworzenia żywych struktur.
Biodruk – etapy drukowania narządów
Początkowy etap: wizualizacja i pozyskanie komórek
Na początku badacze skanują (za pomocą diagnostyki obrazowej) narząd pacjenta, by określić spersonalizowany rozmiar i kształt. Aby wydrukować tkanki, naukowcy muszą zdeponować komórki specyficzne dla budowanego przez siebie organu.
Komórki są pobierane od pacjenta, a następnie hodowane, tak żeby układ odpornościowy mógł rozpoznać je jako własne i aby uniknąć odrzucenia immunologicznego i konieczności przyjmowania leków immunosupresyjnych. Takie narządy mogłyby potencjalnie zostać zbudowane z komórek macierzystych bądź indukowanych, pluripotencjalnych komórek macierzystych, ale jednym z wyzwań jest skłonienie komórek do różnicowania się w podtyp dojrzałej komórki, która jest potrzebna do zbudowania określonego narządu.
Kolejny etap: utworzenie matriks
Żeby stworzyć warunki sprzyjające najszybszemu i najbardziej wydajnemu wzrostowi komórek, naukowcy „sadzą” komórki wśród trójwymiarowych rusztowań wykonanych z biodegradowalnych polimerów (czyli tzw. mikrożelu). Komórki, aby przeżyć potrzebują też dobrego środowiska: pożywienia, wody i tlenu – warunki te zapewnia biokompatybilne rusztowanie. Gdy komórki urosną i zorganizują się warstwowo, zamieniając się w działający narząd, organ zostaje wszczepiony pacjentowi. Kiedy lekarze ostatecznie umieszczą organ w ciele pacjenta, a nośnik powoli znika.
źródło: theconversation.com
Metody biodruku
Istnieje kilka różnych metod biodruku, które można używać do tworzenia wzorów biomateriałów. Najpopularniejsze metody to druk atramentowy, laserowy lub ekstruzyjny.
Aktualnie najczęściej stosowaną formą biodruku jest właśnie ekstruzja – przy pomocy komputera wytłacza się z kartridża (strzykawki) biotusz z komórkami, który układa się we warstwy tworząc model 3D. W trakcie druku można kontrolować warunki fizyko-chemiczne takie jak: temperatura, ciśnienie, wartość pH co jest niezbędnym elementem pozwalającym wpływać na strukturę biotuszu po wydruku.
Gdzie można jeszcze wykorzystać biodruk?
Możemy skupić się również na innych obszarach zastosowań biologicznego druku 3D na przykład:
- badaniach nad nowotworami,
- testach leków,
- implantologii stomatologicznej,
- wysokowydajnych badaniach przesiewowych,
- jako alternatywa dla systemu hodowli 2D lub badań na zwierzętach, modele tkanek/narządów 3D zyskały popularność jako platforma do badania patofizjologii czy służąc jako źródło dydaktyczne dla studentów.
Jak można polepszyć biodrukowanie?
Mimo, że biodruk 3D rozwija się w godnym pochwały tempie, a naukowcy próbują opracować nowe metody drukowania, a także ulepszyć istniejące, wciąż pozostaje wiele wyzwań… Oto one:
- Obecnie istnieje ograniczona liczba tuszów biologicznych, które nadają się zarówno do biodruku, jak i dokładnie odzwierciedlają architekturę tkanki potrzebną do przywrócenia funkcji narządu po wydrukowaniu.
- Podczas gdy biotusze wykonane z hydrożeli pochodzenia naturalnego sprzyjają wzrostowi komórek, syntetyczne hydrożele są odporne mechanicznie. Dlatego też biotusze hybrydowe powinny być zaprojektowane tak, aby łączyć wszystkie te aspekty.
- Ponadto sam proces biodruku musi być bardziej przyjazny dla komórek. Naprężenie ścinające przyłożone do komórek podczas procesu drukowania jest szkodliwe dla wzrostu komórek i może nawet zmienić profile ekspresji genów.
- Kolejną poważną przeszkodą jest waskularyzacja (czyli: unaczynienie) konstruktów wykonanych w celu prawidłowej wymiany składników odżywczych i gazów. Ogólnie rzecz biorąc, biodrukowanie 3D to szybko rozwijająca się dziedzina badań, z ogromnymi wyzwaniami, ale o ogromnym potencjale do zrewolucjonizowania współczesnej medycyny spersonalizowanej i opieki zdrowotnej.
Zachęcamy również do przeczytania naszego artykułu w temacie wirusów na ELEMENTUM pt.: “O wirusie, który dzierży koronę“, a także jeśli zainteresował Cię temat i chciałbyś dowiedzieć się więcej to zapraszamy do umówienia się na lekcję z biologii do naszego eksperta!
Drodzy czytelnicy!
- Napiszcie w komentarzu, czy temat jest dla Was ciekawy!
- Gdybyście mieli do tej treści pytania, albo chcieli poznać więcej szczegółów o zastosowaniach biodruku 3d to piszcie do nas na adres: elementum.edu@gmail.com
- A tym czasem ELEMENTUM życzy Wam udanego dnia!! I dużo fascynacji z odkrywania biologii 🙂
Na koniec pamiętaj o tym…
- aby być na bieżąco z naukową wiedzą śledź nasz fanpage FB.
Autor: Katarzyna Kowalska, ELEMENTUM
Bibliografia
Cho DW., Kim BS., Jang J. I wsp. (2019) 3D Bioprinting Techniques, 3D Bioprinting 25-29
Datta P., Ayan B., Ozbolat IT (2017) Bioprinting for vascular and vascularized tissue biofabrication, Acta Biomater 15;51:1-20.
Dey M., Ozbolat IT. (2020) 3D bioprinting of cells, tissues and organs, Sci Rep 10, 14023
Gu Z., Fu J., Lin H. i wsp. (2020) Development of 3D bioprinting: From printing methods to biomedical applications, Asian J Pharm Sci 15(5):529-557
Liu F., Wang X. (2020) Synthetic Polymers for Organ 3D Printing, Polymers (Basel) 12(8):1765
Matai I., Kaur G., Seyedsalehi A. i wsp. (2020) Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering, Biomaterials 226:119536.
Radenkovic D., Solouk A., Seifalian A. (2016) Personalized development of human organs using 3D printing technology, Med Hypotheses 87:30-3.
Xia Z., Jin S., Ye K. (2018) Tissue and Organ 3D Bioprinting, SLAS Technol 23(4):301-314
brinter.com
geneonline.news
medicalfuturist.com
theconversation.com
the-scientist.com