Čuda savremene tehnologije: Prvo 3D štampano srce

Nove tehnologije obezbeđuju do skora potpuno neverovatne mogućnosti u oblasti medicine, a jedna od najfascinantnijih jeste štampanje ljudskih organa. Čak i čitavog srca…

Imperativ savremene medicine je upotreba najmodernijih tehnologija u cilju što kvalitetnijeg i uspešnijeg lečenja pacijenata. U tom cilju, nove tehnologije dovele su do potpuno fantastičnih mogućnosti u oblasti medicine, a jedna od najneverovatnijih jeste štampanje ljudskih organa. Već se primenjuju neki jednostavni 3D štampani delovi čovekovog organizma, recimo implantanti kod rekonstrukcije kostiju, tetiva i drugih vrsta tkiva, kao i protetički delovi, ali najnovija dostignuća pokazuju da će u budućnosti biti moguće štampanje kompletnih čovekovih organa radi transplantacije. Naučnici već rade na razvoju 3D štampanja složenih delova čovekovog tela, kao što su srce, pluća ili jetra. Najnovije ostvarenje je 3D štampano srce.

Bio‑štampa

3D bioprinting je proces stvaranja ćelija koje su biokompatibilne sa živim tkivom, u laboratorijskom prostoru, pomoću 3D tehnologije štampanja, tako da funkcije tih ćelija u potpunosti budu održane. Za 3D štampanje koristi se metod nanošenja sloja na sloj. Na taj način stvaraju se strukture nalik tkivu, koje se mogu koristiti u bioinženjeringu.

Princip rada bioštampača zasniva se na stereolitografiji, odnosno nanošenju slojeva izabranog materijala na platformu pomoću sistema s mlaznicama, kao kod klasične inkjet štampe

Princip rada bioštampača zasniva se na stereolitografiji – nanošenju slojeva izabranog materijala na platformu pomoću sistema s mlaznicama, kao kod klasične inkjet tehnologije štampanja. Glave se kreću u tri dimenzije. Hardverskim komponentama uređaja, od kojih se zahteva izuzetna preciznost, pouzdanost i fleksibilnost, upravlja se odgovarajućim softverom. Pomoću njega se formira i model objekta (organa) koji će se štampati.

3D bioprinting se sastoji od tri faze. U prvoj – prebioprintingu kreira se model objekta koji će se štampati i bira materijal. Kada su u pitanju čovekovi organi, mora se dizajnirati model veran organu pacijenta kome će biti namenjen. To se obavlja korišćenjem kompjuterizovane tomografije (CT) i magnetne rezonance (MR). Za izbor materijala vrši se biopsija originalnog tkiva pacijenta. U drugoj fazi „štampa“ se organ nanošenjem slojeva materijala i formira 3D struktura poput tkiva. U trećoj fazi, postbioprintingu, mehaničkim i hemijskim stimulacijama formira se stabilna struktura od biološkog materijala. Simulacijama se šalju signali ćelijama radi kontrole remodelovanja i rasta tkiva, sazrevanja, vaskularizacije, kao i sposobnosti da prežive potencijalnu transplantaciju.

Od jedne ćelije do organa

Pionir u oblasti 3D bioštampanja je profesor Makoto Nakamura sa Univerziteta Tojama, koji je 2002. godine, koristeći standardni inkjet štampač, napravio uređaj kod koga je glava za štampanje nanosila kapljicu veličine ćelije čovekovog organizma. Dalji razvoj ove tehnologije doveo je 2008. do uređaja za štampanje biocevi slične čovekovom krvnom sudu, a iste godine u kompaniji Organovo napravljeni su i prvi funkcionalni krvni sudovi, kao i srčano tkivo formirano od ćelija životinjskih organizama.

Prava revolucija u 3D bioštampanju napravljena je korišćenjem matičnih ćelija pacijenata, pri čemu je vrlo značajna činjenica da se na taj način smanjuje rizik od odbacivanja ugrađenih ćelija i organa

Godine 2010. u istoj kompaniji, korišćenjem čovekovih ćelijskih struktura, napravljeni su krvni sud i veštački nerv. Daljim razvojem počelo se i s realizacijom veštačkih organa, tako da su se pojavila brojna rešenja veštačkih srca – od silikonske pene (Univerzitet Kornel), veštačko srce na čipu (Univerzitet Berkli)… Takođe se radi i na razvoju tehnologije štampanja ćelija direktno u čovekovom organizmu (in situ bioprinting). U tom slučaju minijaturna robotska ruka ulazi u čovekov organizam i štampa ćelije tamo gde su one potrebne.

Prava revolucija u 3D bioštampanju napravljena je korišćenjem matičnih ćelija pacijenata, pri čemu je vrlo značajna činjenica da se na taj način smanjuje rizik od odbacivanja ugrađenih ćelija i organa. Ostvarena je potpuna biokompatibilnost – biomaterijal poseduje iste biohemijske, mehaničke i topografske osobine sopstvenog tkiva pacijenta.

Na tom principu napravljeno je nedavno i prvo štampano 3D srce s ljudskim tkivom, krvnim sudovima, ćelijama i komorama. Na čelu projektnog tima koji je to ostvario nalazi se profesor Tal Dvir sa Univerziteta iz Tel Aviva, a značajnu ulogu u istraživanju imali su i doktor Asaf Shapira (TAU Faculty of Life Sciences) i Nadav Moor, doktorand u laboratoriji profesora Dvir‑a. Pronalazak je publikovan u časopisu Advanced Science.

3D bioštampa za lečenje infarkta

Realizaciji 3D štampanog srca prethodila su dugogodišnja istraživanja na Univerzitetu u Tel Avivu, ali i rezultatima drugih naučnih timova. Tako su 2016. i 2017. godine na TAU i u nekim drugim institucijama 3D bioštampom napravljene tzv. zakrpe za lečenje srca nakon infarkta. Naime, jedan od problema sa srčanim udarima jeste to što prilikom zaceljenja tkivo ožiljka nikad više normalno ne funkcioniše, pa je pacijent praktično ugrožen do kraja života.

Novu nadu za potpuno izlečenje takvih pacijenata nudi „zakrpa“ napravljena 3D bioštampom na Univerzitetu u Tel Avivu, čiji je kreator isti tim koji je kasnije napravio i 3D štampano srce. Radi zamene oštećenog srčanog tkiva, „zakrpa“ se stavlja preko ožiljka u vidu flastera. Napravljena je od ljudskih ćelija, uz dodatak fleksibilne elektronike (integrisane elektronike i živog tkiva – kiborg). Osim zamene oštećenih delova tkiva, ona omogućava daljinsko praćenje, električne stimulacije i oslobađanje lekova na zahtev. Koristeći elektroaktivne polimere i kombinaciju bioloških i inženjerskih komponenata, flaster se rasteže i proširuje, baš kao i normalno ljudsko tkivo srca. Te radnje izuzetno su precizno podešene.

Istraživanje je obavljeno u laboratoriji za tkivnu tehniku i regenerativnu medicine (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab) na Univerzitetu u Tel Avivu. Korišćeni su napredni nanotehnološki alati za kreiranje potpuno funkcionalnih surogata tkiva sa ugrađenom daljinskom elektronikom za monitoring. Pacijent može biti kod kuće, a lekar za svojim kompjuterom, pri čemu lekar u realnom vremenu nadgleda podatke sa senzora ugrađenih u tkivo pacijenta, procenjuje tačno rad srca i sa udaljenosti aktivira lekove za regeneraciju ako je potrebno. Očekuje se da će se u budućnosti na sličan način ostvariti i potpuna automatska regulacija srčane funkcije.

Srce kuca u 3D

Bolesti srca su među vodećim uzrocima smrti u mnogim delovima sveta. Transplantacija je trenutno jedini tretman dostupan pacijentima u završnim stadijumima srčane insuficijencije, a evidentan je ogroman nedostatak donatora. Zbog toga bi pravi put koji vodi ka efikasnijoj transplantaciji organa mogao biti 3D štampanje srca, kao što je to napravio izraelski istraživački tim sa Univerziteta u Tel Avivu. To je prvo 3D štampano srce napravljeno od sopstvenog materijala (tkiva) pacijenta.

Postupak 3D štampanja srca otpočeo je biopsijom (uzimanjem masnog tkiva) od pacijenta‑volontera. Masno tkivo zatim je razdvojeno na ćelijske i nećelijske materijale. Ćelije su programirane da postanu pluripotentne matične ćelije. To su matične ćelije koje su sposobne da se diferenciraju u bilo koju vrstu ćelija tela. Od nećelijskog materijala (ekstracelularni matriks), koji se uglavnom sastoji od kolagena i glikoproteina, napravljen je personalizovan hidrogel.

U sledećoj fazi ćelije su pomešane sa hidrogelom, a zatim inicirane da se diferenciraju u srčane ili endotelne ćelije, kako bi se kreirali pacijentu specifični imunokompatibilni srčani flasteri s krvnim sudovima. Tako je formirano tzv. biomastilo (zapravo, dva tipa biomastila) koje će se nanositi mlaznicama 3D bioštampača na podlogu (alginat/ksantan guma). Izgradnjom biološkog tkiva po principu nanošenja sloj po sloj (ista tehnologija ranije primenjena za izradu „zakrpa“ srčanog tkiva), napravljeno je kompletno srce.

Iako je prvo 3D štampano srce malo, mnogo manje od čovekovog (veličine srca zeca), ono ima potpuno istu strukturu kao ljudsko srce normalne veličine. Profesor Dvir kaže da bi se istim procesom moglo stvoriti i srce veličine čovekovog. Pošto bi takvo 3D štampano srce bilo napravljeno od pacijentovog biološkog materijala, ne bi trebalo da se pojavi problem odbacivanja organa od njegovog imunološkog sistema. Veoma je važno i to što pacijenti ne bi morali da čekaju odgovarajućeg donatora radi transplantacije.

Radi zamene oštećenog srčanog tkiva, „zakrpa“ se stavlja preko ožiljka u vidu flastera. Napravljena je od ljudskih ćelija, uz dodatak fleksibilne elektronike

Podrazumeva se da predstoji još mnogo rada da bi se došlo u fazu kada će 3D štampano srce moći da se upotrebi za transplantaciju. Ogroman posao stoji pred istraživačkim timom iz Izraela, zadatak da funkcionalnost 3D štampanog srca učine vernom pravom srcu. To znači da ćelije moraju ostvariti kompaktan zajednički rad. Najpre, ćelijska struktura mora da ostvari mogućnost pumpanja (ritmične kontrakcije krvi iz vena u arterije).

Profesor Dvir izjavio je da očekuje da će za desetak godina 3D štampani organi biti dostupni u najnaprednijim svetskim bolnicama i da će se transplantacije rutinski izvoditi, ali s nekim jednostavnijim organima nego što je srce, dok transplantacije 3D štampanog srca mogu da se očekuju za 20 godina. Ili ranije…

Autor: Nadežda Veljković