Viduje pastangos atspausdinti plaučius ir įkvėpti jiems gyvybės kamieninėmis ląstelėmis

3D sistemų sutikimu

Praėjusį mėnesį turėjau galimybę laikyti viršutinės žmogaus kvėpavimo takų dalies kopiją – vėjo vamzdį ir pirmuosius du bronchus. Jis buvo pagamintas iš kolageno, biologinio cemento, kuris laiko mūsų kūnus kartu. Jis buvo slidus ir tuščiaviduris, o konsistencija buvo nepakankamai išvirtų makaronų.

Struktūra atsirado iš šaldytuvo dydžio 3-D spausdintuvo Mančesteryje, Naujajame Hampšyre, „United Therapeutics“ – bendrovės, kuri per metus uždirba daugiau nei milijardą dolerių parduodant vaistus, skirtus plaučių ligoms gydyti, poste.

Kompanija teigia, kad vieną dieną planuoja naudoti tokį spausdintuvą, kad neribotais kiekiais pagamintų žmogaus plaučius ir pašalintų didelį donorų organų trūkumą.

Audinių biospausdinimas nėra nauja idėja. 3D spausdintuvai gali padaryti žmogaus odą, net tinklaines. Tačiau iki šiol šis metodas buvo taikomas tik audiniams, kurie yra labai maži arba labai ploni ir kuriuose nėra kraujagyslių.

Vietoj to „United“ kuria spausdintuvą, kuris, jos manymu, per kelerius metus galės pagaminti vientisą, guminį plaučių kontūrą išskirtinėmis detalėmis, įskaitant visas 23 besileidžiančias kvėpavimo takų šakas, dujas keičiančias alveoles ir subtilias kapiliarų tinklas.

Iš kolageno pagaminti plaučiai niekam nepadės: tikriems plaučiams tai, kas vištai yra guminė vištiena. Taigi „United“ taip pat kuria būdus, kaip impregnuoti matricą žmogaus ląstelėmis, kad jos prisitvirtintų ir įsiskverbtų į ją, atgaivindamos ją.

Mes stengiamės statyti mažus namelius pagalioms ląstelėms gyventi, sako Derekas Morrisas, „United“ organų gamybos grupės projekto vadovas.

Vargonų verslininkas

3-D spausdinimo projektas yra naujausias iš daugybės inžinerinių pastangų, kurias pradėjo „United“ generalinė direktorė Martine Rothblatt, kažkada aviacijos ir kosmoso verslininkė (ji buvo „Sirius Satellite Radio“ generalinė direktorė įkūrėja), 1990-aisiais po jos pakeitusi karjerą. dukra susirgo reta plaučių liga.

Kurdama „United“, Rothblatt už 25 tūkst. geriausiai apmokamas generalinis direktorius biofarmacijos pramonėje praėjusiais metais -kai ji taip pat nustatė a greičio rekordas elektriniame malūnsparnyje. Rothblatt sako, kad ji tikisi, kad elektriniai dronai kada nors nusuks organus iš jos gamyklos ten, kur jų reikia.

„United“ jau atliko keletą rizikingų organų statymų. Viena iš jos dukterinių įmonių „Revivicor“ tiekia chirurgams genetiškai modifikuotų kiaulių širdis, inkstus ir plaučius (iki šiol jie buvo naudojami babuinams). Kita, plaučių bioinžinerija, atnaujina žmonių donorų plaučius, pumpuodama į juos šiltą tirpalą. Apie 250 žmonių jau gavo plaučius, kurie kitu atveju būtų laikomi medicininėmis atliekomis.

Nesitikėkite, kad greitai bus visiškai pagaminti organai. „United“ savo įmonės prognozėse prognozuoja, kad tai neįvyks dar 12 metų. Rothblattas pripažįsta, kad spausdinta struktūra, kurią mačiau, yra tik pradžia. Tai tik dvi šakos ir nėra ląstelių, sako ji.

Nepaisant to, „United“ pastangos spausdinti ištisus organus, pradėtos praėjusiais metais, gali būti didžiausios pramonėje. Ji pasamdė Pietų Karolinos bendrovę „3D Systems“, kuri pagamintų spausdintuvą, ir moka kitai bendrovei „3Scan“, kad ši supjaustytų plaučius ir sukurtų išsamius jų interjero žemėlapius. Jame yra darbo skelbimų, skirtų tokioms pareigoms kaip matematikas – žmogaus organų dizainas.

„United“ organų gamybos grupė yra įsikūrusi tame pačiame buvusių tekstilės gamyklų komplekse kaip „BioFabUSA“, Gynybos departamento 80 mln. USD vertės audinių spausdinimo iniciatyva. Deanas Kamenas, gerai žinomas išradėjas, vadovaujantis BioFabUSA, sako, kad susitikimai su Rothblattu paskatino jį kreiptis į vyriausybę dėl instituto šeimininkavimo. Mačiau stebuklus, su kuriais ji žaidžia, ir nusivylimą dėl įrangos, kurią ji naudoja tam, – sako jis. Kamenui biologams trukdo tai, ką jis vadina XIX amžiaus kolbų ir stiklinių technologija.

3-D spausdinimas

Kolageno spausdintuvas, kurį dabar naudoja 3D sistemos, veikia pagal metodą, vadinamą stereolitografija. UV lazeris mirga per negilų kolageno telkinį, legiruotą šviesai jautriomis molekulėmis. Visur, kur lazeris pasilieka, kolagenas sukietėja ir tampa kietas. Palaipsniui spausdinamas objektas nuleidžiamas ir pridedami nauji sluoksniai.

„United“ generalinė direktorė Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

„United“ teigimu, šiuo metu spausdintuvas gali padėti kolageną maždaug 20 mikrometrų raiška. Tačiau norint spausdinti anatomines plaučių detales, reikės mažesnių nei mikrometro funkcijų.

Kai matote plaučių sudėtingumą, tai, ką gamta veikia nuo pastojimo iki gimimo, nėra jokio būdo jų apdirbti ar suformuoti. 3D spausdinimas yra vienintelis būdas sukurti tokią geometriją, sako Pedro Mendoza, 3DSystems biospausdinimo direktorius.

Mendoza sako, kad 3D Systems planuoja importuoti puslaidininkių pramonės metodus, tokius kaip kaukės, veidrodžiai ir galingesni lazeriai, kad pagerintų spausdintuvo skiriamąją gebą. Greitis taip pat yra problema. Struktūrai, kurią mačiau, atspausdinti prireikė 12 valandų. Su tuo pačiu spausdintuvu sukurti pilną, detalų plaučių pastolį užtruktų metus.

Biospausdinimas

Kai kurie biospausdinti audiniai yra beveik naudojami medicinoje. Ispanijos komanda spausdino odą, kuri, jos manymu, gali būti naudojama nudegusiems pacientams. Tačiau visi šiandien gaminami audiniai yra popieriaus ploni. Jie turi būti, nes jiems trūksta kraujagyslių. Bet koks didesnis ir audinys mirtų iš vidaus.

Nors kai kurie tyrėjai atspausdino gyvų kraujagyslių prototipus, šios pastangos tebėra pradinės. Iki šiol niekas nepretendavo į 300 000 USD prizą, kurį NASA pasiūlė pirmajam mokslininkui, galinčiam atspausdinti vieno centimetro storio gyvą audinį. Žmogaus plaučių pora yra daug didesnė, sveria apie tris svarus.

Kai kurios bendrovės teigia, kad kalbėti apie ištisų organų spausdinimą dar anksti. Visi manome, kad kada nors ateityje tai bus įmanoma. Mes skiriasi, kiek laiko tai užtruks, sako Sharon Presnell, Kalifornijos bendrovės Organovo, spausdinančios plonus, elastingus kepenų lapus, vyriausioji mokslininkė. Ar galite gauti kažką tokio dydžio su kraujagyslėmis ir ar tai gali atlaikyti fiziologinį spaudimą? Daugelis iš mūsų bando vaikščioti prieš bėgdami.

Ląstelių pridėjimas

Tačiau ne „United“. Teigiama, kad kitų pastangų problema yra ta, kad jie naudoja ekstruzijos metodus, išspaudžiant ląsteles ir baltymus per smulkias adatas. Luisas Alvarezas, bioinžinierius, vadovaujantis „United“ organų gamybos grupei, ląstelių spausdinimą lygina su vandens balionų stumdymu per šiaudelį. Jis sako: jūsų spausdinimo skiriamąją gebą riboja langelio dydis.

Vietoj to, „United“ planas yra pirmiausia atspausdinti plaučių karkasą, o tada į juos įpilti žmogaus ląstelių, o tai vadinama recelluliarizacija.

Yra ankstyvų įrodymų, kad kolageno matrica gali būti vėl paversta funkcionuojančiais plaučiais. Šiais metais eksperimente, kurį iš dalies finansavo „United“, Harvardo universiteto eksperimentinis chirurgas Haraldas Ottas pranešė, kad jis perpumpavo milijardus žmogaus ląstelių (iš virkštelės ir supjaustytų plaučių) į kiaulės plaučius, iš kurių buvo pašalintos ląstelės. Kai Otto komanda vėl prijungė jį prie kiaulės kraujotakos, gautas organas parodė pradinę funkciją, nors eksperimentas truko tik valandą.

Jūs gaunate kraujo per sistemą ir keičiate dujas, sako Bostono universiteto kamieninių ląstelių biologas Finnas Hawkinsas, kuris nedalyvauja „United“ projekte. Tai nuostabu. Tačiau iki persodinamų organų dar toli.

Hawkinsas teigia, kad Otto organams trūko svarbių ląstelių tipų, pavyzdžiui, banguotų blakstienų, kurios pašalina skreplius. Be to, lieka neaišku, kaip gauti žmogaus ląstelių tiek, kiek reikia būsimai organų gamyklai aprūpinti. Mirusių donorų žmonių plaučių neužtenka poreikiui patenkinti.

„United“ teigia, kad savo laboratorijose ketina naudoti kamienines ląsteles reikiamiems audiniams gaminti, tačiau tai taip pat nėra lengva užduotis.

Manau, kad biospausdinimas gali būti mažiausiai problemiška jo dalis, sako Hawkinsas. Kai tik paminėsite ką nors didesnio nei pelė, sakyčiau, kad tokį ląstelių kiekį sunku pagaminti.

Nauji organai

Jei vargonų būtų galima pagaminti daug, tai ne tik išspręstų organų trūkumą. Galiausiai tai gali pakeisti žmogaus gyvenimo trukmę. Ką daryti, jei sulaukus 80 metų gausite naują širdį ar plaučius?

Kad ten patektų, „United“ turės atlikti ne vieną, o kelis technologinius „moonshots“. Vis dėlto Alvarezas sako, kad „United“ tikisi, kad įvairūs jos technologijų projektai – 3-D spausdinimo pastoliai, ląstelių atkūrimo technika ir pastangos gaminti plaučių audinį iš kamieninių ląstelių – kada nors susikirs.

Jis sako, kad tada, kai pradėsime atspausdinti geriausią plaučių dalį, žinosime, kaip ją atkurti.

paslėpti