Ako tkanivové inžinierstvo vytvára nové orgány od základov

Kríza nedostatku orgánov

Len v Spojených štátoch čaká na transplantáciu orgánov viac ako 100 000 ľudí a tisíce ročne zomierajú skôr, ako sa nájde vhodný darca. Tkanivové inžinierstvo – disciplína, ktorá spája biológiu, medicínu a inžinierstvo – sa snaží túto krízu vyriešiť pestovaním funkčných orgánov v laboratóriu z vlastných buniek pacienta.

Oblasť zaznamenala svoj prvý významný úspech, keď chirurg Anthony Atala z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine v roku 1999 implantoval pacientovi v laboratóriu vypestovaný močový mechúr. Odvtedy vedci vytvorili kožu, krvné cievy, priedušnice, svaly a – najnovšie – funkčný pažerák.

Ako to funguje: Bunky, lešenia a bioreaktory

Vytvorenie orgánu v laboratóriu prebieha v troch rozsiahlych krokoch.

1. Zber a množenie buniek

Vedci začínajú drobnou biopsiou tkaniva – niekedy nie väčšou ako poštová známka. Z nej izolujú relevantné typy buniek a kultivujú ich v médiách bohatých na živiny. Podľa výskumníkov z Wake Forest by jedna vrstva buniek mohla teoreticky pokryť futbalové ihrisko približne do šiestich týždňov rastu. Ak sa vlastné bunky pacienta nedajú ľahko množiť, ako alternatíva slúžia kmeňové bunky – schopné dozrieť do mnohých typov tkanív.

2. Vytvorenie lešenia

Bunky potrebujú trojrozmerný rámec, aby sa usporiadali do fungujúceho orgánu. Inžinieri vytvárajú tento rámec, nazývaný lešenie, jedným z dvoch spôsobov:

• Decelularizácia – Orgán darcu sa prepláchne detergentmi a enzýmami, ktoré odstránia všetky živé bunky a zanechajú po sebe extracelulárnu matrix (ECM), strašidelnú proteínovú kostru, ktorá si zachováva pôvodný tvar orgánu a biochemické signály.
• Syntetické alebo bioprintované lešenia – Biologicky odbúrateľné polyméry alebo hydrogély sa formujú alebo 3D tlačia do požadovaného tvaru, niekedy so zabudovanými kanálmi, ktoré napodobňujú krvné cievy.

Lešenie sa potom osieva rozšírenými bunkami pacienta v procese nazývanom recelularizácia.

3. Dozrievanie v bioreaktore

Osievané lešenie sa umiestni do bioreaktora – komory, ktorá napodobňuje podmienky tela, poskytuje teplotu, prúdenie kyslíka a mechanické namáhanie. Počas dní alebo týždňov sa bunky množia, diferencujú a vpletajú sa do funkčného tkaniva. Až potom je vytvorený orgán pripravený na implantáciu.

Čo už bolo transplantované

Tkanivové inžinierstvo sleduje zhruba rebríček zložitosti. Ploché tkanivá, ako je koža, bolo najjednoduchšie zvládnuť a sú štandardnou klinickou praxou už desaťročia. Tubulárne orgány nasledovali: Atalov tím implantoval v laboratóriu vypestované močové mechúre siedmim mladým pacientom a následné kontroly presahujúce sedem rokov preukázali trvalé zlepšenie, informoval Wake Forest. Tím vedený Martinom Birchallom transplantoval priedušnicu odvodenú z kmeňových buniek dospelému – a neskôr dieťaťu – čo znamenalo prvú pediatrickú transplantáciu tkanivovo-inžinierovaného orgánu.

V najnovšom míľniku vedci z Great Ormond Street Hospital a University College London vytvorili 2,5-centimetrový štep pažeráka, osiali ho vlastnými bunkami príjemcu a implantovali ho do ošípaných. Do troch mesiacov sa štep úplne integroval; do šiestich mesiacov sa vyvinuli funkčné svaly, nervy a krvné cievy schopné poháňať potravu smerom k žalúdku.

Výzva pevných orgánov

Srdce, pečeň, obličky a pankreas zostávajú „svätým grálom“ tejto oblasti. Tieto pevné orgány vyžadujú husté siete krvných ciev na zásobovanie kyslíkom hlboko vo vnútri tkaniva – problém nazývaný vaskularizácia, ktorý žiadny tím v transplantačnom meradle úplne nevyriešil. Výskumníci z Wake Forest vytvorili miniatúrnu obličku, ktorá dokáže vylučovať moč, a viaceré skupiny preukázali bijúce srdcové tkanivo v laboratóriu, ale rozšírenie týchto prototypov na klinickú veľkosť je ešte vzdialené roky.

Prečo na tom záleží

Pretože inžinierované orgány používajú vlastné bunky pacienta, obchádzajú dva najväčšie problémy konvenčnej transplantácie: nedostatok darcov a imunitné odmietnutie. Pacienti by už nepotrebovali celoživotné imunosupresívne lieky. Keďže sa 3D bioprinting zlepšuje v rozlíšení a konštrukcie bioreaktorov sú sofistikovanejšie, oblasť sa neustále posúva od jednoduchých tkanív smerom ku komplexným orgánom, ktoré by jedného dňa mohli úplne eliminovať čakacie listiny na transplantáciu.