Czy filmy science fiction mogą stać się rzeczywistością? - Narządy z biodrukarki 3D nie tylko do przeszczepów!

Masz przed sobą wybiodrukowany w 3D organ z komórek z własnego ciała. Do czego by go wykorzystać? Pierwsze przychodzi na myśl to – do przeszczepu! Faktycznie, bardzo wielu naukowców chce biodrukować narządy wewnętrzne do przeszczepów, jednak ta zaawansowana technologia może mieć wiele innych zastosowań. Naukowcy mają ogromną wiedzę i fantazję, chcą technologię biodruku 3D oraz biodrukowane narządy w przyszłości wykorzystać do wielu, niezwykle ważnych i przełomowych rzeczy. Biodrukowane jadalne mięso, wyeliminowanie potrzeby wykorzystania zwierząt laboratoryjnych w badaniach, drukowanie spersonalizowanych leków - to tylko kilka przykładów. Ogranicza nas tylko wyobraźnia!

Czytaj dalej

nauki o zdrowiu

o co chodzi?

Z poprzedniego artykułu o biodruku 3D dowiedzieliście się nie tylko jak biodrukować 3D organy do przeszczepów, ale także poznaliście kilka przykładów obecnych prac naukowców nad biodrukowanymi prototypami narządów. Taka zaawansowana technologia ma jednak o wiele więcej zastosowań w biomedycynie. Biodruk 3D bowiem to nie tylko przeszczepy narządów, ale też biodrukowane mięso do użycia w gastronomii, nadzieja na zastąpienie zwierząt laboratoryjnych w badaniach przedklinicznych i kosmetycznych czy produkcja spersonalizowanych leków (Rys. 1). 

Możliwości jest naprawdę wiele!

W nauce, kosmetologii i medycynie wykorzystuje się wiele modeli zwierzęcych, na których bada się podłoże chorób ludzkich, ale także testuje się różne kosmetyki czy potencjalne leki mające daną chorobę wyleczyć. Choć wiąże się to z bardzo dużym dylematem etycznym, na ten moment naukowcy nie mają lepszego modelu do badań. W przyszłości biodruk 3D ludzkich narządów mógłby ograniczyć, a może nawet całkowicie zastąpić modele zwierzęce w badaniach, stanowiąc o wiele lepszy model niż zwierzę, które od ludzi przecież sporo się różni genetycznie, fizjologicznie i anatomicznie.

Rys. 1. Przykłady zastosowań biodruku i druku 3D.

Badania na zwierzętach

W poprzednim artykule pisałam o biodrukowanej skórze do przeszczepów. Jak można się spodziewać, taka skóra mogłaby być również doskonałym modelem do testowania kosmetyków. W Polsce wykorzystanie zwierząt laboratoryjnych w badaniach naukowych jest ściśle kontrolowane przez ustawę o ochronie zwierząt laboratoryjnych (Dz.U. 2015 poz. 266), natomiast w Unii Europejskiej (w tym oczywiście w Polsce) jest całkowity zakaz testów kosmetyków na zwierzętach. 

Niestety, producenci często wykonują takie testy po prostu w innych krajach, gdzie można je (a czasem i trzeba, jeśli chce się produkt sprzedać w danym kraju) wykonać. Kilka lat temu biodrukiem skóry zainteresowały się firmy kosmetyczne. 

Przykładowo, w 2015 roku ogłoszono, że znana firma L'Oreal łączy siły z biotechnologiczną firmą Organovo, aby wydrukować ludzką skórę w 3D. Biodrukowana skóra ma być używana w testowaniu produktów firmy L’Oreal. Takie rozwiązanie nie tylko kosztowałaby firmy kosmetyczne mniej niż testy na zwierzętach, ale mogłaby być również bardziej etyczne, zastępując zwierzęta w badaniach dermatologicznych. Niestety nadal na rynku nie ma dostępnej takiej skóry, a L’Oreal i Organovo nad swoim projektem cały czas pracują. 

Z kolei w 2019 roku największe na świecie przedsiębiorstwo chemiczne BASF wspólnie z firmą CTIBiotech połączyły siły, aby opracować biodrukowany model ludzkiej skóry zawierający makrofagi – komórki układu odpornościowego. Kiedy naukowcy opracują taki model, firmy będą mogły testować na nim substancje bioaktywne do zastosowań w pielęgnacji skóry i sprawdzać ich właściwości przeciwzapalne. 

Nie jest to pierwsza współpraca tych firm – w 2015 roku ogłosiły, że stworzyły model 3D gruczołu łojowego, który wytwarzał sebum podobnie jak w skórze. Nie pozostaje nic innego, jak trzymać kciuki za takie przedsięwzięcia, które w przyszłości może pozwolą na zastąpienie potrzeby korzystania ze zwierząt laboratoryjnych w kosmetyce.

A czy zwierzęta laboratoryjne będzie można w przyszłości zastąpić nie tylko w kosmetyce ale także w medycynie? 

Mam nadzieję, że tak i biodruk 3D być może będzie właśnie takim rozwiązaniem. Według mnie jedną z bardzo ciekawych możliwości użycia biodruku 3D jest stworzenie modeli płuc do badań chorób zakaźnych. Badacze z Niemiec biodrukują z komórek nabłonka oddechowego pęcherzyków płucnych struktury przypominające płuca, które następnie „zakażają” wirusem grypy (Berg i inni, 2018; 2021). 

Naukowcy udowodnili, że takie modele płuc „reagują” na infekcję wirusową podobnie jak naturalne płuca. W modelach wirus się namnaża i wywołuje podstawową odpowiedź immunologiczną. Takie „płuca” to nie tylko doskonały model do badań tego, jak na nasze płuca działają patogeny, ale także doskonały model do badania leków przeciwwirusowych na grypę i inne patogeny. 

W dobie pandemii wirusa SARS-CoV-2 model płuc, czy też modele innych narządów wykonane przy pomocy inżynierii tkankowej, mogą pomóc bliżej poznać biologię wirusa i odkrywać nowe leki na COVID-19 (Shpichka i inni, 2020). W przyszłości takie modele mogłyby szybciej pomagać ludzkości rozprawiać się z pandemiami czy epidemiami także innych wirusów.    

Czy taki biodrukowany organ ludzki może się jeszcze do czegoś przydać?

Tak! Biodrukowane organy ludzkie to może być także doskonałe narzędzie do nauki dla studentów medycyny, czy też planowania leczenia/operacji dla lekarzy. W 2020 roku naukowcy opracowali technikę biodrukowania pełnej wielkości serca ludzkiego (Mirdamadi, Tashman, Shiwarski, Palchesko, Feinberg, 2020). Model ten wykonany był z biotuszu opartego na alginianie (to taki dodatek do żywności z alg morskich) i nie zawierał komórek. Dzięki alginianowi taki model dobrze naśladuje elastyczność tkanki sercowej, lepiej niż dostępne dla lekarzy modele serc z tworzyw sztucznych. 

Modele serca, drukowane na podstawie skanów serc od każdego pacjenta mogłyby być bardzo przydatnym narzędziem dla chirurgów w planowaniu operacji. Choć sami przyznają, że to niezwykle trudne zadanie. Autorzy myślą, aby w przyszłości dodać do takiego modelu komórki serca pochodzące od pacjenta, żeby w przyszłości jeszcze lepiej imitować prawdziwy narząd. Dodatkowo sama technologia druku 3D umożliwia produkcję spersonalizowanych narzędzi, które mogą być wykorzystane przy skomplikowanych operacjach.

Badania przesiewowe i spersonalizowana medycyna

Biodrukowane w 3D tkanki i narządy mogą mieć również zastosowanie w wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych, czyli wtedy, kiedy spośród setek czy tysięcy substancji, naukowcy poszukują kandydatów na leki i sprawdzają ich toksyczność. Do takich badań przesiewowych doskonale nadają się organoidy, czyli uproszczone i zminiaturyzowane modele 3D narządu wyhodowane w laboratorium (Kengla, Atala, Lee, 2015; Radhakrishnan, Varadaraj, Dash, Sharma, Verma, 2020).  Organoid dobrze imituje to, co dzieje się w prawdziwym narządzie i może być stworzony na przykład właśnie dzięki biodrukowi 3D.

Przykładem mogą być miniaturowe organoidy guza trzustki, które posłużyły naukowcom do tego, aby przetestować ponad 3000 substancji i znaleźć najlepszego kandydata na lek (Bejoy i inni, 2021). Tego typu technologia nie tylko mogłaby w przyszłości wyeliminować lub zmniejszyć potrzebę testowania leków na zwierzętach, ale także otworzyć drzwi do spersonalizowanej medycyny. 

Organoidy można by tworzyć z użyciem komórek nowotworowych pobranych od pacjenta i sprawdzać na nich jaki lek, spośród dostępnych, mógłby zahamować rozwój konkretnego nowotworu u danego pacjenta. Nowotwory, nawet tego samego narządu, potrafią się bardzo różnić u poszczególnych pacjentów, co wpływa na odpowiedź na wdrożone leczenie. 

Takie podejście mogłoby zrewolucjonizować leczenie nowotworów i potencjalnie pomóc wielu pacjentom. Organoidowe modele 3D mogłyby także pomóc naukowcom i lekarzom dokładniej zrozumieć naturę biologii nowotworów, tego w jaki sposób powstają i się rozwijają (Radhakrishnan, Varadaraj, Dash, Sharma, Verma, 2020).

„Organy na chipach”

Opowiadając o zastąpieniu badań na zwierzętach przez biodruk 3D, nie można nie wspomnieć o bardzo ciekawym rozwiązaniu, jakie proponuje inżynieria tkankowa, tzw. Organ-on-a-chip (OoC). Organ-on-a-chip to „organy na chipach”, czyli mikrochipy, które mają dokładnie naśladować funkcjonowanie organów. 

Istnieje wiele różnych OoC. Ogólnie są to niewielkie chipy z tworzywa sztucznego z wieloma wydrążonymi malutkimi kanałami, w których można hodować różne komórki. Przez te kanały przepływa świeża pożywka dla hodowanych komórek czy też usuwane są produkty przemiany materii. W chipie znajdują się dodatkowo specjalne elektrody i biosensory monitorujące cały układ, wykonujące pomiary czy stymulujące komórki do wzrostu. 

Takie chipy, naśladujące fizjologię i działanie narządów wewnętrznych, można wykonać na wiele sposobów, a jednym z nich jest właśnie biodruk 3D (Park, Jang, Kang, 2018). Stworzenie OoC jest obecnie trudne w wykonaniu, kosztowne i czasochłonne, naukowcy sądzą jednak, że dzięki zastosowaniu biodruku 3D do tworzenia chipów, proces może w przyszłości stać się zautomatyzowany, szybszy i bardziej powtarzalny. OoC mają służyć dokładniejszemu poznaniu chorób ludzkich oraz testowaniu skuteczności i toksyczności substancji, które mogą być potencjalnymi lekami – podobnie jak organoidy. 

Interesującym aspektem OoC jest łączenie wielu chipów z różnymi organami w… body-on-a-chip czyli „ciało na chipie” (Low, Mummery, Berridge, Austin, Tagle, 2021).  Takie rozwiązanie w przyszłości pozwoli jeszcze lepiej zrozumieć patologię chorób czy działanie leków, gdyż „ciało na chipie” dokładniej niż „organ na chipie” może imitować funkcjonowanie ciała żyjącego człowieka.

Pomnik myszy laboratoryjnej

Modele zwierzęce w ogromnym stopniu przyczyniły się do zrozumienia przez naukowców wielu różnych chorób, jak i do wynajdywania nowych leków. Ilość ludzkich, istnień jakie pośrednio uratowały zwierzęta laboratoryjne, jest nie do opisania. Może już niedługo nie będziemy musieli wykorzystywać zwierząt w badaniach przedklinicznych i stawiać im potem pomników takich jak np. stoi przed Instytutem Cytologii i Genetyki, Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk w Nowosybirsku

Niestety do zastąpienia zwierząt laboratoryjnych przez technologię taką jak biodruk 3D, organoidy, organ-on-a-chip (czy też inne technologie) jeszcze trzeba poczekać. Nauka i medycyna nadal nie dysponują lepszym modelem badawczym niż zwierzę, mimo że badania z wykorzystaniem zwierząt są długie, kosztowne i wiążą się z dylematem moralnym. 

Warto też wspomnieć o różnicach genetycznych i morfologicznych między zwierzętami laboratoryjnymi a człowiekiem. Takie niezgodności mogą wpływać np. na odmienną odpowiedź na badane leki. Między innymi dlatego ogromna ilość substancji leczniczych nie przechodzi testów przedklinicznych, pomimo tego, że efekt na organizm ludzki mógłby być potencjalnie korzystniejszy niż na organizm zwierzęcy. Mam ogromną nadzieję, że za kilka – kilkanaście lat w końcu doczekamy wielkiego sukcesu naukowego, jakim byłoby choćby ograniczenie czy najlepiej całkowite zaprzestanie badań na zwierzętach.

Spersonalizowane leczenie

Kariera biodruku 3D w spersonalizowanej medycynie rozwija się szybko, dając naukowcom możliwość wykorzystania biodrukarek 3D do coraz to nowszych zastosowań. Przydatność biodruku 3D w testowaniu skuteczności i toksyczności różnych potencjalnych leków jest nieoceniona. Jednak to nie wszystko. 

Drukarki 3D można bowiem wykonywać także do… produkcji spersonalizowanych dla konkretnego pacjenta leków. Można by tutaj polemizować, czy takie rozwiązanie to jeszcze biodruk 3D, czy już druk 3D (ponieważ tutaj nie wykorzystujemy komórek do biodruku, tylko różne substancje aktywne czy wypełniające tabletki) niemniej jednak niezależnie od tego uważam, że to ciekawa koncepcja i chciałam Wam o niej tutaj wspomnieć. 

Każdy człowiek, pomimo że jesteśmy wszyscy tym samym gatunkiem, może inaczej zareagować, przyjmując lek czy szczepionkę. U ludzi mogą (ale nie muszą) wystąpić różne powikłania po przyjęciu medykamentu lub nasz organizm może na lek nie zareagować. Sądzi się, że najlepszym rozwiązaniem mogłyby być leki dobrane odpowiednio i w dostosowanej dawce dla danego pacjenta. Firmy farmaceutyczne w ostatnich latach zwiększyły prace nad zastosowaniem druku 3D do spersonalizowanych leków (Bejoy i inni, 2021). 

Tradycyjne produkowanie medykamentów ściśle określa nie tylko wygląd i kształt tabletki, ale też dawkę czy rodzaj uwalniania leku (Zhu, Li, Huang, Zhang, Fan, Cui, 2020). Producent wytwarza leki na podstawie takiej receptury, aby u większości ludzi dawka substancji czynnej osiągnęła odpowiedni efekt, co sprawia, że u jednych lek może działać silniej, a u innych słabiej. Precyzyjny druk 3D pozwala zaprojektować rozmiar pigułki lub procent wypełnienia wnętrza tabletki w celu precyzyjnej kontroli uwalniania leku w ciele. Ciekawą koncepcją i marzeniem naukowców jest to, że w przyszłości lekarze w swoich gabinetach będą wyposażeni w drukarki 3D i będą mogli na bieżąco drukować lek odpowiedni dla danego pacjenta. 

Drukowane leki to nie tylko odpowiednio dobrany rozmiar, kształt czy dawka dla danego pacjenta, to także właściwie dopasowany system dostarczania leku, czyli regulacja uwalniania leków z pigułki w czasie i w miejscu. Dzięki drukowi 3D można dobrać optymalne materiały i substancje, z których ma powstać pigułka oraz dostosować kształt i wewnętrzną strukturę tabletki w taki sposób, aby np. kontrolować szybkość czy czas uwalniania leku. 

Pacjenci, którzy przyjmują wiele leków na różne schorzenia, dzięki tej technologii mogliby uzyskać jedną tabletkę z wieloma substancjami, która po połknięciu niezależnie uwalniałaby dany lek, kiedy i gdzie trzeba. W tym momencie nad takimi zastosowaniem druku 3D pracuje wielu naukowców, niezależnie jednak od tego, druk 3D w produkcji leków nadal jeszcze raczkuje. Pomimo to, jest to niezwykle atrakcyjna, przydatna i przyszłościowa technologia, która mogłaby rozwiązać wiele problemów współczesnej farmakoterapii.

Wróćmy na chwilę do biodruku narządów wewnętrznych 

Skoro biodruk 3D narządów tak prężnie się rozwija, to czy można wydrukować również mięśnie zwierzęce? I… czy można takie mięso potem zjeść? Odpowiedź brzmi TAK! 

Mięso hodowane w laboratorium przeznaczone do spożycia nie jest to zupełna nowość

 W 2013 roku w Londynie po raz pierwszy zjedzono burgera z mięsa powstałego w laboratorium. Naukowcy hodowali w laboratorium komórki pobrane od krowy aż powstały niewielkie struktury imitujące włókna mięśniowe, z których następnie powstał burger. 

Zainteresowanie mięsem powstałym w laboratorium jest naprawdę duże, nie tylko zapobiegałoby ono cierpieniu zwierząt, ale też taka hodowla mogłoby być bardziej ekologiczna i w przyszłości być może także tańsza w produkcji niż tradycyjna hodowla zwierząt. 

Przykładowo firma KFC w 2020 roku ogłosiła, że rozpoczyna współpracę z rosyjską firmą biotechnologiczną 3D Printing Solutions i razem będą pracować nad technologią produkcji hodowanych w laboratorium nuggetsów z kurczaka. W tym samym roku, w izraelskim Tel Aviv powstała też pierwsza na świecie restauracja o nazwie „The Chicken”, sprzedająca dania z wyhodowanego w laboratorium mięsa z komórek kurczaka

Pierwszy na świecie był Singapur 

Mięso z kurczaka z hodowli laboratoryjnej zostało prawnie zaakceptowane i zadebiutowało tam w 2020 roku, kiedy amerykański start-up „Eat Just” zaczął sprzedawać swoje produkty w restauracji „1880”. Czy takie mięso faktycznie smakuje jak… mięso? I czy jest w ogóle dobre w smaku? Ludzie, którzy w 2013 roku mieli możliwość spożycia pierwszego (bardzo drogiego) burgera z laboratorium, stwierdzili, że smakuje bardzo podobnie do zwykłego burgera, jednak mięso jest mniej soczyste.  

Soczystość mięsa zapewniana jest np. przez odpowiednią ilość tkanki tłuszczowej. Biodruk 3D mógłby spełnić takie wymagania konsumentów biodrukując soczyste steki z odpowiednią marmurkowatością, czyli zawartością i rozłożeniem tłuszczu w mięsie. 

Soczystość, smakowitość i marmurkowatość

Przykładowo, wołowina pochodząca od krów ras Wagyu przez konsumentów uznawana jest za jedną z najwyższych jakościowo. Charakteryzuje się wysoką soczystością, smakowitością i marmurkowatością. Dlaczego o tym piszę? Otóż dlatego, że w 2021 roku naukowcy z Japonii ogłosili, iż z pomocą biodruku 3D stworzyli miniaturowy stek z komórek pobranych od krowy Wagyu (Kang i inni, 2021). Stek zawierał nie tylko mięśnie, ale także tkankę tłuszczową, a nawet naczynia krwionośne. W celu stworzenia ministeku naukowcy pobrali od krowy komórki satelitowe mięśni oraz komórki macierzyste z tkanki tłuszczowej, które następnie hodowali i namnażali w laboratorium, aby użyć je do biodruku mięsa o odpowiedniej marmurkowatości. 

Autorzy twierdzą, że opracowana przez nich technika jest obiecującym narzędziem do tego, aby w przyszłości tworzyć różnego rodzaju mięsa z pożądanymi przez konsumentów cechami. Biodruku 3D użyto także do wyprodukowania mięsa z komórek indyczych na… Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Komórki hodowano na stacji kosmicznej dzięki pomocy izraelskiej firmy Aleph Farms. Firma twierdzi, że ta technologia mogłaby w przyszłości wyżywić ludzi żyjących na stacjach kosmicznych, gdzie nie ma miejsca na hodowlę zwierząt czy miejsca na przechowywanie dużej ilości pożywienia. 

Produkcja mięsa z laboratorium stale ewoluuje

Wciąż powstają nowe techniki mające sprawić, że takie mięso będzie całkowicie wolne od produktów odzwierzęcych, dobre w smaku, tańsze i ekologiczne w produkcji. Prace nad bardziej ekologicznym i pozbawionym cierpienia zwierząt mięsem trwają od dawna i być może już niedługo będziemy mogli kupić takie mięso w sklepach. Pytanie tylko, czy konsumenci je zaakceptują?

Biodruk 3D czy sam druk 3D na pewno w przyszłości przyniesie jeszcze wiele ciekawych zastosowań medycznych i nie tylko. Zainteresowanie naukowców biodrukiem 3D jest bardzo duże, pozostaje nam tylko czekać i śledzić informacje naukowe na ten temat, a być może już niedługo doczekamy pierwszych narządów do przeszczepu lub taniego mięsa z biodrukarki 3D w sklepach. Myślę, że następne lata naszego życia są wybiodrukowane 3D, potrzeba nam tylko troszkę cierpliwości ?. 

Opublikowano w dziale nauki o zdrowiu dnia 11 mar 2022

Podobał Ci się ten artykuł?
Żródła

Bejoy A. M. i inni (2021) An insight on advances and applications of 3d bioprinting: A review. Bioprinting, vol. 24, p. e00176, Dec. DOI: 10.1016/j.bprint.2021.e00176.

Berg, J. i inni (2018) Optimization of cell-laden bioinks for 3D bioprinting and efficient infection with influenza A virus. Scientific Reports, vol. 8, no. 1, p. 13877, Dec. DOI: 10.1038/s41598-018-31880-x.

Berg, J. i inni (2021) Bioprinted Multi-Cell Type Lung Model for the Study of Viral Inhibitors. Viruses, vol. 13, no. 8, p. 1590, Aug. DOI: 10.3390/v13081590.

Kang, D.-H. i inni (2021) Engineered whole cut meat-like tissue by the assembly of cell fibers using tendon-gel integrated bioprinting.  Nature Communications, vol. 12, no. 1, p. 5059, Dec. DOI: 10.1038/s41467-021-25236-9.

Kengla, C., Atala, A., Lee, S. J., (2015) Bioprinting of Organoids. [w:] Essentials of 3D Biofabrication and Translation, Elsevier, pp. 271–282. DOI: 10.1016/B978-0-12-800972-7.00015-3.

Low, L. A., Mummery, C., Berridge, B. R., Austin, C. P., Tagle, D. A. (2021) Organs-on-chips: into the next decade,” Nature Reviews Drug Discovery, vol. 20, no. 5, pp. 345–361, May. DOI: 10.1038/s41573-020-0079-3.

Mirdamadi, E., Tashman, J. W., Shiwarski, D. J., Palchesko, R. N., Feinberg, A. W. (2020) FRESH 3D Bioprinting a Full-Size Model of the Human Heart. ACS Biomaterials Science & Engineering, vol. 6, no. 11, pp. 6453–6459, Nov. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01133.

Park, J. Y., Jang, J., Kang, H.-W. (2018) 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip. Microelectronic Engineering, vol. 200, pp. 1–11, Nov. DOI: 10.1016/j.mee.2018.08.004.

Radhakrishnan, J., Varadaraj, S., Dash, S. K., Sharma, A., Verma, R. S. (2020) Organotypic cancer tissue models for drug screening: 3D constructs, bioprinting and microfluidic chips. Drug Discovery Today, vol. 25, no. 5, pp. 879–890, May. DOI: 10.1016/j.drudis.2020.03.002.

Shpichka, A. i inni (2020) Engineering a Model to Study Viral Infections: Bioprinting, Microfluidics, and Organoids to Defeat Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). International Journal of Bioprinting, vol. 6, no. 4, Aug. DOI: 10.18063/ijb.v6i4.302.

Zhu, X., Li, H., Huang, L., Zhang, M., Fan, W., Cui, L. (2020) 3D printing promotes the development of drugs. Biomedicine & Pharmacotherapy, vol. 131, p. 110644, Nov. DOI: 10.1016/j.biopha.2020.110644.

Zdjęcie: NCATS - https://www.flickr.com/photos/64860478@N05/41427884275/in/photostream/, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=70720622