Tkáňové inženýrství pěstuje nové orgány od základu

Krize nedostatku orgánů

Jen ve Spojených státech čeká na transplantaci orgánů více než 100 000 lidí a tisíce ročně umírají dříve, než se najde vhodný dárce. Tkáňové inženýrství – obor, který spojuje biologii, medicínu a inženýrství – si klade za cíl tuto krizi vyřešit pěstováním funkčních orgánů v laboratoři z vlastních buněk pacienta.

Obor dosáhl svého prvního významného úspěchu, když chirurg Anthony Atala z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine v roce 1999 implantoval pacientovi v laboratoři vypěstovaný močový měchýř. Od té doby vědci vyvinuli kůži, cévy, průdušnice, svaly a – nejnověji – funkční jícen.

Jak to funguje: Buňky, lešení a bioreaktory

Výstavba orgánu v laboratoři probíhá ve třech širokých krocích.

1. Získávání a množení buněk

Vědci začínají malou biopsií tkáně – někdy ne větší než poštovní známka. Z ní izolují relevantní typy buněk a kultivují je v médiích bohatých na živiny. Podle výzkumníků z Wake Forest by jedna vrstva buněk mohla teoreticky pokrýt fotbalové hřiště během přibližně šesti týdnů růstu. Pokud se vlastní buňky pacienta nemohou snadno množit, slouží jako alternativa kmenové buňky – schopné dozrát v mnoho typů tkání.

2. Stavba lešení

Buňky potřebují trojrozměrný rámec, aby se uspořádaly do funkčního orgánu. Inženýři vytvářejí tento rámec, nazývaný lešení, jedním ze dvou způsobů:

• Decelularizace – Orgán dárce je propláchnut detergenty a enzymy, které odstraní všechny živé buňky a zanechají za sebou extracelulární matrix (ECM), strašidelnou proteinovou kostru, která si zachovává původní tvar orgánu a biochemické signály.
• Syntetická nebo biotisknutá lešení – Biologicky odbouratelné polymery nebo hydrogely jsou tvarovány nebo 3D tištěny do požadovaného tvaru, někdy s vloženými kanály, které napodobují krevní cévy.

Lešení je poté osazeno pacientovými rozmnoženými buňkami v procesu zvaném recelularizace.

3. Zrání v bioreaktoru

Osazené lešení je umístěno uvnitř bioreaktoru – komory, která napodobuje podmínky těla, zajišťuje teplotu, proudění kyslíku a mechanické namáhání. Během dnů nebo týdnů se buňky množí, diferencují a vplétají se do funkční tkáně. Teprve poté je umělý orgán připraven k implantaci.

Co už bylo transplantováno

Tkáňové inženýrství se řídí hrubým žebříčkem složitosti. Ploché tkáně, jako je kůže, bylo nejjednodušší zvládnout a jsou standardní klinickou praxí po celá desetiletí. Následovaly trubicové orgány: Atalův tým implantoval v laboratoři vypěstované močové měchýře sedmi mladým pacientům a následné kontroly přesahující sedm let prokázaly trvalé zlepšení, uvedla Wake Forest. Průdušnice odvozená z kmenových buněk byla transplantována dospělému – a později i dítěti – týmem vedeným Martinem Birchalem, což znamenalo první pediatrickou transplantaci tkáňově inženýrského orgánu.

V nejnovějším milníku vědci z Great Ormond Street Hospital a University College London vytvořili 2,5 centimetrový jícnový štěp, osadili jej vlastními buňkami příjemce a implantovali jej prasatům. Během tří měsíců se štěp plně integroval; do šesti měsíců se vyvinuly funkční svaly, nervy a krevní cévy schopné pohánět potravu do žaludku.

Výzva pevných orgánů

Srdce, játra, ledviny a slinivky břišní zůstávají „Svatým grálem“ oboru. Tyto pevné orgány vyžadují husté sítě krevních cév, které dodávají kyslík hluboko do tkáně – problém zvaný vaskularizace, který žádný tým v transplantačním měřítku plně nevyřešil. Výzkumníci z Wake Forest vyvinuli miniaturní ledvinu, která dokáže vylučovat moč, a několik skupin prokázalo v laboratoři bijící srdeční tkáň, ale zvětšení těchto prototypů na klinickou velikost je ještě vzdálené.

Proč na tom záleží

Protože umělé orgány používají vlastní buňky pacienta, obcházejí dva největší problémy konvenční transplantace: nedostatek dárců a imunitní odmítnutí. Pacienti by již nepotřebovali celoživotní imunosupresivní léky. Jak se 3D biotisku zlepšuje rozlišení a konstrukce bioreaktorů jsou sofistikovanější, obor se neustále posouvá od jednoduchých tkání ke složitým orgánům, které by jednoho dne mohly zcela eliminovat čekací listiny na transplantaci.