Hogyan növesztenek a szövetmérnökök új szerveket a semmiből

A szervhiány válsága

Több mint 100 000 ember szerepel csak az Egyesült Államokban a szervátültetésre várók listáján, és évente ezrek halnak meg, mielőtt megfelelő donorra találnának. A szövetmérnökség – a biológia, az orvostudomány és a mérnöki tudományok határterülete – arra törekszik, hogy ezt a válságot megoldja azáltal, hogy funkcionális szerveket növeszt a laboratóriumban a páciens saját sejtjeiből.

A terület első jelentős sikerét akkor érte el, amikor Anthony Atala sebész a Wake Forest Regeneratív Orvostudományi Intézetében 1999-ben egy laboratóriumban növesztett húgyhólyagot ültetett be egy páciensbe. Azóta a kutatók bőrt, ereket, légcsöveket, izmokat és – legutóbb – egy működő nyelőcsövet is létrehoztak.

Hogyan működik: sejtek, vázszerkezetek és bioreaktorok

Egy szerv laboratóriumi felépítése három fő lépésből áll.

1. Sejtek gyűjtése és szaporítása

A tudósok egy apró szövetmintával kezdik – néha nem nagyobb, mint egy bélyeg. Ebből izolálják a releváns sejttípusokat, és tápanyagban gazdag közegben tenyésztik őket. A Wake Forest kutatói szerint egyetlen sejtréteg elméletileg egy futballpályát is befedhet körülbelül hat hét alatt. Ha a páciens saját sejtjeit nem lehet könnyen szaporítani, akkor őssejtek – amelyek sokféle szöveti típussá képesek érni – szolgálnak alternatívaként.

2. A vázszerkezet felépítése

A sejteknek háromdimenziós vázra van szükségük ahhoz, hogy működő szervvé szerveződjenek. A mérnökök ezt a vázat, amelyet vázszerkezetnek neveznek, kétféleképpen hozzák létre:

• Decellularizáció – Egy donor szervet mosószerekkel és enzimekkel öblítenek át, amelyek eltávolítják az összes élő sejtet, és hátrahagyják az extracelluláris mátrixot (ECM), egy szellemként megmaradt fehérjevázat, amely megőrzi a szerv eredeti alakját és biokémiai jeleit.
• Szintetikus vagy bioprintelt vázszerkezetek – Biológiailag lebomló polimereket vagy hidrogéleket öntenek vagy 3D-nyomtatnak a kívánt formára, néha beágyazott csatornákkal, amelyek az ereket utánozzák.

A vázszerkezetet ezután beoltják a páciens szaporított sejtjeivel, ezt a folyamatot recellularizációnak nevezik.

3. Érés bioreaktorban

A beoltott vázszerkezetet egy bioreaktorba helyezik – egy olyan kamrába, amely a test körülményeit utánozza, biztosítva a hőmérsékletet, az oxigénáramlást és a mechanikai igénybevételt. Napok vagy hetek alatt a sejtek szaporodnak, differenciálódnak és funkcionális szövetekké szövődnek. Csak ezután áll készen a mesterséges szerv a beültetésre.

Amit már átültettek

A szövetmérnökség egy durva komplexitási létrát követ. A lapos szöveteket, mint például a bőr, volt a legkönnyebb elsajátítani, és évtizedek óta bevett klinikai gyakorlat. A csőszerű szervek következtek: Atala csapata laboratóriumban növesztett húgyhólyagokat ültetett be hét fiatal páciensbe, és a több mint hétéves utánkövetések tartós javulást mutattak, jelentette a Wake Forest. Egy őssejtekből származó légcsövet egy felnőttbe – majd később egy gyermekbe – ültetett be Martin Birchall vezette csapat, ami a szövetmérnöki úton előállított szerv első gyermekgyógyászati transzplantációját jelentette.

A legújabb mérföldkőként a Great Ormond Street Kórház és a University College London tudósai egy 2,5 centiméteres nyelőcső-graftot hoztak létre, beoltották a recipiens saját sejtjeivel, és beültették sertésekbe. Három hónapon belül a graft teljesen integrálódott; hat hónapra funkcionális izmok, idegek és erek fejlődtek ki, amelyek képesek voltak a táplálékot a gyomor felé továbbítani.

A tömör szervek kihívása

A szívek, a májak, a vesék és a hasnyálmirigyek továbbra is a terület "Szent Gráljai". Ezek a tömör szervek sűrű érhálózatot igényelnek, hogy oxigént juttassanak a szövet mélyére – ezt a problémát vascularizációnak nevezik, amelyet egyetlen csapat sem oldott meg teljes mértékben transzplantációs méretben. A Wake Forest kutatói egy miniatűr vesét építettek, amely képes vizeletet kiválasztani, és több csoport is bemutatott laboratóriumban dobogó szívszövetet, de e prototípusok klinikai méretre történő skálázása még évek kérdése.

Miért fontos ez

Mivel a mesterséges szervek a páciens saját sejtjeit használják, elkerülik a hagyományos transzplantáció két legnagyobb problémáját: a donorhiányt és az immunológiai kilökődést. A betegeknek többé nem lenne szükségük élethosszig tartó immunszuppresszív gyógyszerekre. Ahogy a 3D-s bioprintelés javítja a felbontást, és a bioreaktorok kialakítása kifinomultabbá válik, a terület folyamatosan halad az egyszerű szövetektől a komplex szervek felé, amelyek egy napon teljesen megszüntethetik a transzplantációs várólistákat.