Štampači ljudskih organa

Tehnologija 3D štampe se već koristi za izradu plastičnih i metalnih predmeta, a jedna od njenih potencijalnih primena je biotehnologija. Da vidimo šta se očekuje od bioprintera.

Zadatak 3D bioštampača (ili bioprintera), čiji je razvoj u eksperimentalnoj fazi, jeste stvaranje („štampa“) veštačkog tkiva koje će moći da se implementira u čovekov organizam. Ukoliko se obećanja ispune, bioštampači će doneti pravu revoluciju u oblasti medicine.

Mlaz i slojevi

Princip rada bioštampača zasniva se, kao i kod drugih vrsta 3D štampača, na stereolitografiji – nanošenju slojeva izabranog materijala na platformu za gradnju objekta pomoću sistema sa mlaznicama, odnosno glavama za štampanje, kao kod klasične inkjet tehnologije. Glave se kreću u tri dimenzije: levo‑desno, napred‑nazad i gore‑dole. Nakon nanošenja jednog sloja, glave se pomeraju naviše i sledi nanošenje narednog sloja, a formirani slojevi čine štampani objekat.

Kod klasičnih 3D štampača kao material se najčešće koriste plastika, metal, gips ili keramika, dok su kod bioštampača to specifične vrste biomaterijala.

Hardverskim komponentama uređaja, od kojih se zahteva izuzetna preciznost, pouzdanost i fleksibilnost, upravlja se odgovarajućim softverom. Pomoću njega se kreira model objekta koji će se štampati (3D CAD). U biotehnologiji to su modeli veštačkih ćelijskih struktura (tkiva, i čitavih organa) koji će poslužiti kao modeli za medicinska istraživanja ili kao implantanti radi ispitivanja organizma pacijenata, pa čak i kao veštački organi za transplantaciju.

Razvoj bioštampača

Do danas je napravljen mali broj eksperimentalnih 3D bioštampača. Pionir u ovoj oblasti je profesor Makoto Nakamura (Toyama University, Japan) koji je 2002. godine, koristeći standardni inkjet štampač, napravio uređaj kod koga je glava za štampanje nanosila kapljicu koja odgovara veličini ćelije čovekovog organizma. Dalji razvoj ove tehnologije doveo je 2008. godine do uređaja za štampanje bio‑cevi slične čovekovom krvnom sudu.

Još jedan od pionira u ovoj tehnologiji je kompanija Organovo (San Dijego) i istraživački tim na čijem čelu je profesor Gabor Forgacs sa univerziteta u Misuriju. U martu 2008. godine oni su, tehnologijom 3D bioštampača, kreirali funkcionalne krvne sudove i srčano tkivo od ćelija (životinjskih) organizama.

U decembru 2010. godine u Organovu su 3D štampačem prvi put napravljeni veštački krvni sudovi korišćenjem čovekovih ćelijskih struktura. U toj godini ostvaren je još jedan značajan napredak – veštački nerv napravljen bioštampačem uspešno je implementiran u telo pacova, a očekuje se da bi do 2015. moglo da se otpočne i sa njegovom implementacijom kod čoveka. Ova kompanija smatra da će njena dostignuća naći značajnu primenu u oblasti kardiohirurgije.

Za razliku od bioštampača kompanije Organovo, koji je specijalizovan samo za jednu vrstu biomaterijala, na Kolumbijaskom univerzitetu je napravljen bioštampač za različite vrste biomaterijala – Envisiontec Bioplotter. Na njegovom razvoju radi tim naučnika iz laboratorije za inženjering tkiva i regenerativnu medicinu (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab), koji predvodi profesor Jeremy Mao. Kao material koriste se biopolimeri i biokeramika, a „štampa“ se veštačka koštana struktura (delovi kičme, kosti, zubi). Već su napravljeni eksperimenti ugradnje veštačkog kuka i zuba (za sada još ne na čoveku), koji su pokazali dobre rezultate.

Najnoviji napredak u oblasti bioštampača napravljen je korišćenjem embrionalnih matičnih ćelija pacijenata za izradu veštačkog tkiva. U tom slučaju smanjuje se rizik od odbacivanja ugrađenih ćelija i organa. Vrlo je značajna tehnologija štampanja ćelija direktno u čovekovom organizmu, in situ bioprinting. U budućnosti će minijaturna robotska ruka ulaziti u čovekov organizam i štampati ćelije tamo gde je potrebno. Na toj tehnologiji radi tim naučnika iz Severne Karoline, na čijem čelu je Anthony Alata (Wake Forrest University, School of Medicine) – prvi rezultat je bioštampač kože.

NovoGen MMX

Od 2008. godine kompanija Organovo radi sa kompanijom Invetech na realizaciji komercijalnog bioštampača NovoGen MMX. Može se reći da su to prvi komercijalni 3D bioštampači, s obzirom da je Invitech od 2009. godine počeo sa njihovom isporukom Organovo‑u. Uređaji su namenjeni primeni u oblasti kreiranja veštačkih krvnih sudova i srčanih mišića, sa ciljem da se u budućnosti napravi veštačko srce koje će moći da se koristi za transplantaciju.

NovoGen MMX se odlikuje vrlo intuitivnim korisničkim interfejsom, koji omogućava inženjerima da naprave precizan 3D CAD model tkiva (organa) pre nego što se pristupi njegovoj fizičkoj izradi. Puno vremena je potrebno i za pripremu biomaterijala od koga će se tkivo praviti, što se (kao i sama izrada) odvija u sterilnim uslovima.

Pripremljeni biomaterijal se zatim oblikuje – pristupa se štampanju, pri čemu se koriste dve laserski (kompjuterski) kontrolisane glave. Jedna od nj   ih služi za nanošenje biomaterijala na podlogu, a druga za nanošenje vezivnog hidrogela. Pri tom je obezbeđena izuzetna preciznost, što omogućava da svaka ćelija bude smeštena na pravo mesto.

Ono što je najvažnije u tehnologiji bioštampanja jeste mogućnost regeneracije biomaterijala nakon štampanja i prirodnog ponašanja ćelija po uzoru na čovekov organizam, bez ikakve tehničke intervencije. NovoGen MMX se koristi i u drugim medicinskim i biotehnološkim istraživačkim centrima širom sveta. Kompanija je isporuku, uređaja drugim korisnicima otpočela 2010. godine, a njegova cena iznosi oko 200.000 dolara.

Bioštampanje matičnih ćelija

Najnovija dostignuća u tehnologiji 3D bioštampanja prikazali su u februaru 2013. godine istraživači sa Univerziteta Heriot‑Watt u Škotskoj. Oni će verovatno biti pioniri u štampanju ljudskih embrionskih matičnih ćelija (hESC – human Embrionic Stem Cells). Štampali su embrionske matične ćelije u laboratorijskim uslovima korišćenjem nove tehnologije koju je razvio dr Will Wenmiao Shu i njegove kolege iz Biomedical Microengieenering grupe na Heriot‑Watt univerzitetu.

Za štampanje su koristili sistem sa dva rezervoara (mlaznice), iz kojih se ćelije izbacuju na ravnu površinu po principu rada srčanih zalizaka. Količina ćelija, kako kaže dr Shu, precizno se može kontrolisati promenom prečnika mlaznica, vazdušnog pritiska i vremena otvaranja i zatvaranja zalizaka.

Radi komercijalizacije svoje tehnologije, tim doktora Shu‑a se udružio sa škotskom kompanijom Roslin Cellab, koja se bavi istraživanjem matičnih ćelija. Ovom tehnologijom tim planira kreiranje modela veštačkih organa za medicinska istraživanja. Dalji napredak tehnologije vodi ka potpuno funkcionalnim organima koji se mogu upotrebiti za transplantaciju, što bi donelo najrevolucionarniju promenu u medicini i smanjilo ogromne potrebe pacijenata za donatorskim organima širom sveta.

Nadežda Veljković

(Objavljeno u časopisu PC#197)