Znanstvena fantastika postaje stvarnost dok 3D biotisak, spoj biologije i inženjerstva, omogućuje znanstvenicima da sloj po sloj grade živo ljudsko tkivo. Najnoviji proboj u brzini i preciznosti obećava rješavanje kroničnog nedostatka organa za transplantaciju i uvodi medicinu u novu eru personaliziranog liječenja.
Globalni nedostatak organa za transplantaciju predstavlja jednu od najvećih medicinskih kriza današnjice, s tisućama pacijenata na listama čekanja čiji životi ovise o dostupnosti donora. No, tehnologija koja je donedavno pripadala domeni znanstvene fantastike sada nudi konkretnu nadu. Riječ je o 3D biotisku, revolucionarnoj metodi koja koristi “bio-tinte” – gelaste tvari ispunjene živim stanicama, često matičnim stanicama pacijenta – za ispisivanje trodimenzionalnih bioloških struktura. Proces se može zamisliti kao sadnja visokotehnološkog vrta, gdje su stanice sjeme, a bio-tinta plodno tlo koje im omogućuje rast i organizaciju u funkcionalno tkivo. Nakon ispisa, struktura sazrijeva u bioreaktoru, uređaju koji simulira uvjete unutar ljudskog tijela, potičući stanice da se povežu i formiraju kožu, hrskavicu ili čak dijelove složenijih organa.
Visoka stopa preživljavanja stanica
Iako je napredak u ovom polju stalan, znanstvenike je dugo kočila nemogućnost ispisa tkiva s visokom gustoćom stanica, sličnom onoj u ljudskom tijelu, i to na brz i skalabilan način. Taj ključni problem sada je, čini se, riješen zahvaljujući timu istraživača sa Sveučilišta Penn State. Oni su razvili potpuno novu tehniku biotiskanja nazvanu HITS-Bio, koja umjesto pojedinačnih stanica koristi sferoide – guste nakupine stanica. Upotrebom niza digitalno kontroliranih mlaznica koje istovremeno mogu precizno pozicionirati desetke sferoida, njihov sustav uspijeva proizvesti složeno tkivo deset puta brže od svih postojećih metoda. Ono što je najvažnije, ovaj proces održava iznimno visoku stopu preživljavanja stanica, više od 90 %, što je ključno za stvaranje funkcionalnih i održivih tkiva. Svoje otkriće, koje predstavlja ogroman korak naprijed za regenerativnu medicinu, objavili su u prestižnom znanstvenom časopisu Nature Communications.
Uspjeh in situ biotiskanja, odnosno ispisa tkiva izravno na mjestu ozljede, otvara vrata budućnosti u kojoj bi kirurzi mogli popravljati oštećena tkiva i organe na licu mjesta, prilagođavajući “rezervni dio” savršeno anatomiji pacijenta.
Praktičnu moć svoje inovacije znanstvenici s Penn Statea demonstrirali su na dva impresivna primjera. Prvo su, u laboratorijskim uvjetima, za manje od 40 minuta ispisali strukturu hrskavice veličine jednog kubičnog centimetra, sastavljenu od otprilike 600 sferoida. No, drugi eksperiment pomaknuo je granice još dalje, prenoseći tehnologiju iz laboratorija izravno u operacijsku salu. U prvom takvom pokušaju ikad, tim je tijekom kirurškog zahvata na modelu štakora ispisao sferoide izravno u ranu na lubanji. Koristeći mikroRNA tehnologiju, programirali su te stanice da se transformiraju u koštano tkivo. Rezultati su bili zapanjujući: zahvaljujući visokoj dozi isporučenih stanica, proces zacjeljivanja kosti bio je drastično ubrzan. Rana je zacijelila 91 % u samo tri tjedna, a nakon šest tjedana bila je zacijeljena čak 96 %. Ovaj uspjeh in situ biotiskanja, odnosno ispisa tkiva izravno na mjestu ozljede, otvara vrata budućnosti u kojoj bi kirurzi mogli popravljati oštećena tkiva i organe na licu mjesta, prilagođavajući “rezervni dio” savršeno anatomiji pacijenta.
Znanstvenici danas mogu ispisati vjerne 3D modele kancerogenih tumora kako bi testirali učinkovitost novih kemoterapija ili stvoriti minijaturne “organe na čipu” – modele jetre ili gušterače – za ispitivanje toksičnosti lijekova bez upotrebe životinjskih modela, što daje daleko preciznije rezultate.
Dok HITS-Bio predstavlja najnoviji proboj, polje 3D biotiskanja već bilježi konkretne kliničke uspjehe. U praksi se već koriste kožni presadci za žrtve opeklina, hrskavični flasteri za ozljede zglobova i koštani implantati. Zabilježeni su i nevjerojatni uspjesi poput transplantacije 3D-biotiskanog dušnika te implantacije uha stvorenog od vlastitih hrskavičnih stanica pacijentice. Osim za transplantaciju, tehnologija je neprocjenjiva i u istraživačke svrhe. Znanstvenici danas mogu ispisati vjerne 3D modele kancerogenih tumora kako bi testirali učinkovitost novih kemoterapija ili stvoriti minijaturne “organe na čipu” – modele jetre ili gušterače – za ispitivanje toksičnosti lijekova bez upotrebe životinjskih modela, što daje daleko preciznije rezultate. Ovi modeli, koji vjerno oponašaju ljudsku fiziologiju, ubrzavaju razvoj novih lijekova i smanjuju troškove istraživanja.
Najveći izazovi: stvaranje krvnih žila i ispisivanje cijelih organa
Unatoč svim uspjesima, put do ispisa cijelih, složenih organa poput srca, jetre ili bubrega još uvijek je dug, a najveća prepreka na tom putu jest vaskularizacija. Svako tkivo deblje od nekoliko milimetara zahtijeva vlastitu mrežu krvnih žila – arterija, vena i kapilara – koje će dopremati kisik i hranjive tvari te uklanjati otpadne produkte. Bez integriranog krvožilnog sustava, stanice u središtu ispisane strukture jednostavno bi odumrle. Istraživači diljem svijeta, uključujući i one s Instituta Wake Forest koji svoje eksperimente šalju na Međunarodnu svemirsku postaju kako bi proučavali rast tkiva u mikrogravitaciji, intenzivno rade na rješavanju ovog problema. Jedan od pristupa je korištenje “žrtvenih” bio-tinti koje se ispisuju u obliku mreže, a zatim otapaju, ostavljajući za sobom šuplje kanale koje se potom oblažu endotelnim stanicama, stvarajući tako rudimentarne krvne žile. Rješavanje problema vaskularizacije smatra se svetim gralom biotiskanja koji će otključati put prema stvaranju velikih, metabolički aktivnih organa.
Pametni materijali i personalizirana medicina
Sljedeća granica u razvoju ove tehnologije je 4D biotisak. On podrazumijeva korištenje “pametnih” biomaterijala koji imaju sposobnost mijenjanja oblika ili funkcije nakon što su ispisani, kao odgovor na podražaje iz okoline poput tjelesne temperature, svjetlosti ili pH vrijednosti. To otvara mogućnost stvaranja implantata koji se, jednom uneseni u tijelo, sami sklapaju u željenu strukturu ili postupno oslobađaju lijekove. Krajnji cilj je potpuna personalizacija medicine. Korištenjem induciranih pluripotentnih matičnih stanica (iPSC), dobivenih iz stanica kože ili krvi samog pacijenta, bit će moguće ispisati organe koji su genetski identični primatelju. Time bi se u potpunosti eliminirao rizik od imunološkog odbacivanja, kao i potreba za doživotnim uzimanjem imunosupresiva, lijekova koji nose rizik od ozbiljnih nuspojava. Tržište 3D biotiskanja već sada bilježi eksponencijalni rast, a procjenjuje se da će do 2030. godine dosegnuti vrijednost od 8 milijardi dolara. Iako stručnjaci procjenjuju da nas od rutinske transplantacije složenih biotiskanih organa dijeli još 20 do 30 godina, smjer je nepovratno zacrtan.
Time bi se u potpunosti eliminirao rizik od imunološkog odbacivanja, kao i potreba za doživotnim uzimanjem imunosupresiva, lijekova koji nose rizik od ozbiljnih nuspojava. Tržište 3D biotiskanja već sada bilježi eksponencijalni rast, a procjenjuje se da će do 2030. godine dosegnuti vrijednost od 8 milijardi dolara.
Naravno, ovako moćna tehnologija sa sobom nosi i veliku odgovornost. Razvoj prate i važna etička i regulatorna pitanja, poput informiranog pristanka donora stanica, osiguravanja pravedne dostupnosti skupih terapija kako ne bi bile rezervirane samo za bogate, te uspostavljanja strogih sigurnosnih i etičkih standarda. Istraživači blisko surađuju s regulatornim tijelima kako bi osigurali da svaki biotiskani proizvod prođe rigorozna testiranja prije kliničke primjene. Dok su potpuno funkcionalni organi na zahtjev još uvijek vizija budućnosti, tehnologija 3D biotiskanja već danas spašava i poboljšava živote kroz regeneraciju tkiva i napredna istraživanja. Svakim novim probojem, ta vizija je sve bliža, a budućnost medicine gradi se, doslovno, sloj po sloj.
Više o budućnosti medicine, medicinske tehnologije, kao i načinu na kojim ćemo liječiti mnoge bolesti možete čitati u magazinu “Zdravlje 2050” kojeg možete kupiti na kioscima.
( Ordinacija.hr )
