Biotisk tkání poprvé vytvořil malé plíce i játra

TLDR verze: Umělé orgány kombinující biotisk a kmenové buňky se objevují stále častěji. V nejnovější práci se podařilo světelným tiskem vytvořit cévní systém různých orgánů, který následně úspěšně kolonizovaly živé buňky (studie tu).

Lešení pro buňky

Je to jenom dva týdny, co jsem se dojímal nad 3D biotisknutým srdcem – a najednou tu máme něco podobného u plic i jater! A dokonce ve funkční podobě! Tempo změn ve vývoji umělých orgánů je věru překotné. Před srdcem přišel poslední velký pokrok na tomto poli loni v létě skrze kultivované prasečí plíce. Teď aby se člověk pomalu bál otevřít ledničku, aby tam nenašel funkční umělé orgány…

Pojďme ale popořadě. S nejnovějšími kvaziorgány přišel tým biovědátorů Jordana Millera z Rice University a vědátorky Kelly Stevens z University of Washington. Vyvinul přitom techniku, která řeší dosavadní velkou překážku biotisku – totiž vytváření komplexní vaskulatury.

Představte si to trochu jako řeč. Už nějaký čas umí věda vytvářet z kmenových buněk skoro všechny klíčové buňky našeho těla. Buňky jsou jako slova, aby však vznikaly celé orgány (věty), je potřeba víc, než jen náhodně slepit buňky vedle sebe. Je nutno přijít s pravidly „větné skladby“ buněk do složitějších struktur! Tkáně mají vlastní složité uspořádání, vedle kterého i formulář daňového přiznání je neuspořádaným chaosem.

Když se věda doposud snažila z kmenových buněk vytvořit uspořádané struktury tkání, výsledek byl všelijaký, jenom ne uspořádaně-tkáňovitý. Namísto orgánů z kmenových buněk rostly chuchvalce srdečních, plicních a jiných buněk do homogenních blobů. Co hůře, střední části těchhle buněčných pudinků začaly s růstem vnějších části odumírat – nedostávalo se jim totiž živin. Bylo jasné, že umělé orgány tímto způsobem rozhodně nezískáme.

Už pár let vědátoři ale tuší, co jim chybí. Je to extracelulární skelet z kolagenu a dalších podobných proteinů, který jako kostra drží buňky pohromadě a dává jim většího smyslu. Přirozeně přitom disponuje „cestičkami“, které dopravují živiny i buňkám uvnitř tkání. Dva roky nazpět se objevil první výzkum, který to ilustroval, když se z rostlinného listu podařilo vytvořit tepající srdeční sval. No fakt, nekecám! Podobné pokusy se však hlásí o slovo už nějaký čas…

Továrna na maso

Výzkumníci z Worcester Polytechnic Institute v případě listu odstranili rostlinné buňky, ale zachovali (neživé) mezibuněčné lešení, které pak nechali kolonizovat živočišnými srdečními buňkami. Loni v létě výzkum pokročil – totéž se podařilo provést u prasečích plic. Co více, plíce (odebrané prasátkům) byly následně implantovány nazpět. A fungovaly doslova jako nové. Zdálo se, že mezibuněčné lešení je tedy způsobem, jak chuchvalce buněk narovnat do latě!

Problém je, že zatím není znám klíč, při kterém buňky pomáhají své vlastní lešení stavět. Takže si jednotlivé experimenty půjčovaly lešení odjinud – z rostlin nebo prasátek. Je však asi logické, že pokud chceme jednou orgány vyrábět na klíč, nemůžeme si vystačit s půjčováním extracelulárních struktur odjinud. Pokud potřebujete nové plíce, pramálo vám pomůže, že je doktoři můžou vypěstovat… ehm, na strukturách vašich starých plic. Tak dlouho zadržet dech prostě neumíte!

Naštěstí přišly v poslední době dvě nové studie, které se demonstrují možnost vytvářet komplexní tkáně právě pomocí biotisku. Také umělé srdce před 2 týdny si pomáhalo 3D tiskem mezibuněčného lešení. Millerova a Stevensovic práce nyní ukazuje, že něčím podobným lze kvaziplíce či kvazijátra tisknout stejně rychle, jako Baťa sázel cvičky!

Umělé miniplíce
Stroj: Jordan Miller/Rice University

Autoři totiž vytvořili metodu biotiskem polymeru do drobné cévní vaskulatury, která řeší jak skládání buněk do tkání, tak i jejich výživu. Podařilo se jim v důsledku vytvořit jakési pseudoorgány – tkáně, které sice nepřipomínají anatomii skutečného orgánu, ale plní podobnou roli. Je to poprvé, co došlo na biotisk o podobném detailu!

Jejich biotisk vychází ze stereolitografie, tedy „tisku pomocí světla“. Dostal proto sexy název SLATE (StereoLitografie Apparatus for Tissue Engineering). Jednotlivé vrstvy polymeru se tisknou z kapalného roztoku na bázi hydrogelu, který ztvrdne po vystavení světelnému paprsku. Z kádinky se tak postupně vynořuje „pevný objekt“. Pár měsíců nazpět jsem tu měl něco podobného, v tomhle případě však tisknutá struktura stále „vyjíždí“ ven z kádinky, nikoliv zůstává uvnitř.

Za hranice běžných orgánů

Taková struktura pak každopádně může simulovat vnitřní uspořádání krevního, dýchacího nebo lymfatického systému. Lidské buňky můžou následně kolonizovat tyto struktury a začít plnit funkce podobné běžným orgánům.

Studie to vyzkoušela s několika různými typy buněk včetně kmenových. V rámci práce vznikly i jakési kvaziplíce – malý orgánek o velikosti mince, který kombinuje tisk umělé vaskularity z mašiny SLATE s plicními buňkami a umí tak sám „dýchat“. Vštěp jaterního umělého, uh, skoro-orgánu byl pak úspěšně otestován i na šťastných myšičkách!

Jordan Miller a Kelly Stevens
Stroj: Rice University/University of Washington

Jakkoliv jde zatím jenom o demonstrátor (pokud jste omylem nespadli do mašiny na zmenšování, nynější malé kvaziplíce vám budou k ničemu), zřejmě nic moc nebrání jeho potenciálnímu škálování pro skutečné umělé orgány. Stejně jako minule u biotisknutého srdce (které používalo jiné metody na produkci něčeho podobného) platí, že reálná aplikace je od nás možná furt vzdálená dekádu. A rovněž platí, že se – stejně jako u mechanických orgánů – můžou objevit doposud neznámé komplikace.

Je ale zajímavé, že vaskulatura může potenciálně tisknout nejenom celé kopie orgánů, ale i jednodušší orgánové vštěpy. Selhávají vám třeba játra, což je smutné, ale vědátoři vám je nebudou muset vytisknout celá. Možná bude stačit dodat vám pod kůži jenom menší vštěp kombinující vaskulaturu jater s vašimi buňkami. Takový menší implantát by mohl podpořit váš orgán dostatečně k tomu, abyste nepotřebovali náročnější (a dražší) celoorgánový implantát!

Objevují se i další šílené nápady – nač si dávat takové umělé orgány či vštěpy jenom v případě nemoci? Proč si třeba nevstřelit plicní implantát po boku běžných plic, a nezlepšit i okysličování krve? Za 20 let, až/pokud se technika vypiluje, nás možná budou čekat ledajaké podivnosti.

Stroj: Westworld/HBO, Rice University

Hlavně to srdíčko!

Transplantační medicína je dnes stále zatížená etickým problémem toho, že pacienti de facto čekají na smrt jiného člověka. Skutečnost, že tři týmy v posledním roce různými metodami dospěly k podobným výsledkům, každopádně naznačuje, že orgánový happyending je možná fakticky na obzoru!

Neméně podstatné je, že k nynějšímu biotisku byly využívány komerčně dostupné tiskárny (včetně Průšovic mašin!), což zjednodušuje potenciální aplikaci. Celý projekt je ostatně open source, takže není vyloučeno, že další studie vycházející z této technologie přijde z úplně jiných luhů a hájů…

Tak jen doufám, že se tahle paleta orgánových studií v jeden čas sešla fakticky díky překotnému vývoji na medicínském poli… A ne jenom třeba kvůli tomu, že jim všem dojel stejný grant! Nezbývá zatím, než si na další výsledky posečkat. U vývoje umělých orgánů ale dvojnásob platí, že je potřeba do toho dát trochu srdíčka! #badumtss

[LL]

Hybridní biomechanický prst trochu podobného ražení jsme probrali i před rokem na pifku: 

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, která připravuje přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze