Inżynieria tkankowa: jak hoduje się nowe organy od podstaw

Kryzys niedoboru organów

Ponad 100 000 osób w samych Stanach Zjednoczonych znajduje się na listach oczekujących na przeszczep organów, a tysiące umiera każdego roku, zanim znajdzie się odpowiedni dawca. Inżynieria tkankowa – dziedzina łącząca biologię, medycynę i inżynierię – ma na celu rozwiązanie tego kryzysu poprzez hodowanie funkcjonalnych organów w laboratorium z własnych komórek pacjenta.

Dziedzina ta odniosła swój pierwszy przełomowy sukces, gdy chirurg Anthony Atala z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine wszczepił wyhodowany w laboratorium pęcherz pacjentowi w 1999 roku. Od tego czasu naukowcy opracowali skórę, naczynia krwionośne, tchawice, mięśnie i – ostatnio – funkcjonujący przełyk.

Jak to działa: komórki, rusztowania i bioreaktory

Budowa organu w laboratorium składa się z trzech głównych etapów.

1. Pobieranie i namnażanie komórek

Naukowcy zaczynają od maleńkiej biopsji tkanki – czasami nie większej niż znaczek pocztowy. Z niej izolują odpowiednie typy komórek i hodują je w pożywkach bogatych w składniki odżywcze. Według naukowców z Wake Forest, pojedyncza warstwa komórek teoretycznie mogłaby pokryć boisko do piłki nożnej w ciągu około sześciu tygodni wzrostu. Gdy własne komórki pacjenta nie mogą być łatwo namnażane, komórki macierzyste – zdolne do dojrzewania w wiele typów tkanek – służą jako alternatywa.

2. Budowa rusztowania

Komórki potrzebują trójwymiarowej struktury, aby zorganizować się w działający organ. Inżynierowie tworzą tę strukturę, zwaną rusztowaniem, na jeden z dwóch sposobów:

• Decelularyzacja — Organ dawcy jest przepłukiwany detergentami i enzymami, które usuwają wszystkie żywe komórki, pozostawiając macierz zewnątrzkomórkową (ECM), upiorny szkielet białkowy, który zachowuje pierwotny kształt organu i sygnały biochemiczne.
• Syntetyczne lub biodrukowane rusztowania — Biodegradowalne polimery lub hydrożele są formowane lub drukowane w 3D w pożądany kształt, czasami z wbudowanymi kanałami, które naśladują naczynia krwionośne.

Rusztowanie jest następnie obsiewane namnożonymi komórkami pacjenta w procesie zwanym recelularyzacją.

3. Dojrzewanie w bioreaktorze

Obsiane rusztowanie umieszcza się w bioreaktorze – komorze, która naśladuje warunki panujące w organizmie, zapewniając temperaturę, przepływ tlenu i naprężenia mechaniczne. W ciągu dni lub tygodni komórki namnażają się, różnicują i wplatają się w funkcjonalną tkankę. Dopiero wtedy wyhodowany organ jest gotowy do implantacji.

Co już zostało przeszczepione

Inżynieria tkankowa podąża za pewną hierarchią złożoności. Płaskie tkanki, takie jak skóra, były najłatwiejsze do opanowania i od dziesięcioleci są standardową praktyką kliniczną. Następne były organy rurowe: zespół Atali wszczepił wyhodowane w laboratorium pęcherze siedmiu młodym pacjentom, a badania kontrolne trwające ponad siedem lat wykazały trwałą poprawę, jak poinformował Wake Forest. Tchawica pochodząca z komórek macierzystych została przeszczepiona dorosłemu – a później dziecku – przez zespół kierowany przez Martina Birchalla, co stanowiło pierwszy pediatryczny przeszczep organu wyhodowanego metodami inżynierii tkankowej.

W najnowszym przełomie naukowcy z Great Ormond Street Hospital i University College London stworzyli 2,5-centymetrowy przeszczep przełyku, obsiali go własnymi komórkami biorcy i wszczepili go świniom. W ciągu trzech miesięcy przeszczep w pełni się zintegrował; po sześciu miesiącach rozwinął funkcjonalne mięśnie, nerwy i naczynia krwionośne zdolne do przesuwania pokarmu w kierunku żołądka.

Wyzwanie związane z narządami litymi

Serca, wątroby, nerki i trzustki pozostają „Świętym Graalem” tej dziedziny. Te narządy lite wymagają gęstych sieci naczyń krwionośnych, aby dostarczać tlen głęboko do tkanki – problem zwany unaczynieniem, którego żaden zespół nie rozwiązał w pełni w skali przeszczepu. Naukowcy z Wake Forest zbudowali miniaturową nerkę, która może wydzielać mocz, a wiele grup zademonstrowało bijącą tkankę serca w laboratorium, ale skalowanie tych prototypów do rozmiarów klinicznych pozostaje odległe o lata.

Dlaczego to ma znaczenie

Ponieważ wyhodowane organy wykorzystują własne komórki pacjenta, omijają dwa największe problemy konwencjonalnego przeszczepu: niedobór dawców i odrzucenie immunologiczne. Pacjenci nie potrzebowaliby już leków immunosupresyjnych przez całe życie. Wraz z poprawą rozdzielczości biodruku 3D i coraz bardziej wyrafinowanymi konstrukcjami bioreaktorów, dziedzina ta stale przechodzi od prostych tkanek do złożonych organów, które pewnego dnia mogłyby całkowicie wyeliminować listy oczekujących na przeszczep.