Predstavljajte si svet, v katerem zdravnik za bolnika z odpovedjo ledvic ne išče več darovalca, ampak iz njegovih lastnih celic izdela novo ledvico. Organ, narejen po meri njegovega telesa, čaka le še na presaditev. Znanstvena fantastika? Za zdaj še vedno. Toda laboratoriji po svetu že izdelujejo posamezne koščke te prihodnosti: živo človeško tkivo, drobne modele organov in celo vsadke iz pacientovih celic. Do natisnjenega srca ali ledvice pa znanstvenike loči nekaj izjemno težkih ovir.
3D-tiskalnike poznamo predvsem kot naprave, ki plast za plastjo nanašajo plastiko, kovino ali druge materiale in iz računalniškega načrta ustvarijo predmet. Kaj pa, če plastiko zamenjamo z živimi celicami? S tem se ukvarja 3D-biotiskanje (3D bioprinting). Osnovna zamisel je podobna običajnemu 3D-tiskanju, le da mora končni izdelek ostati živ.
In prav tu se stvari zapletejo.
Ko žive celice postanejo črnilo
Biotiskalnik uporablja tako imenovano biočrnilo, ki običajno vsebuje žive celice in biomaterial, pogosto hidrogel. Hidrogel si lahko predstavljamo kot zelo mehko tridimenzionalno ogrodje, v katerem so celice razporejene, zaščitene in lahko rastejo. Raziskovalci uporabljajo različne vrste celic, tudi matične in druge celice, ki jih je mogoče usmeriti oziroma diferencirati v želeno vrsto tkiva.
Pred tiskanjem je treba izdelati tridimenzionalni model želene strukture, nato pa tiskalnik biočrnilo zelo natančno odlaga plast za plastjo. Toda ko tiskalnik konča, delo še zdaleč ni opravljeno. Celice morajo preživeti, se povezati, dozoreti in začeti opravljati svojo nalogo. Tkivo srčne mišice mora denimo krčiti, jetrno tkivo opravljati presnovne funkcije, žile pa morajo omogočati pretok krvi.
Natisniti pravo obliko je zato le prvi del problema. Veliko težje je doseči, da se ta oblika začne obnašati kot živ organ.
Zakaj je uho lažje od srca
Pri razvoju biotiskanja znanstveniki zato niso začeli s srcem, pljuči ali ledvicami, ampak s preprostejšimi tkivi. Hrustanec je dober primer. Leta 2022 je ameriško podjetje 3DBio Therapeutics poročalo o vsaditvi 3D-bioprintanega ušesnega vsadka, izdelanega iz pacientkinih lastnih celic, v okviru kliničnega preskušanja za zdravljenje mikrotije – prirojene nepravilnosti zunanjega ušesa.
Zakaj lahko pridemo do ušesa precej prej kot do ledvice? Eden od razlogov je kri. Hrustanec nima takšne goste mreže krvnih žil, kakršno potrebujejo kompleksni notranji organi. In prav tu se skriva eden največjih problemov biotiskanja. Natisniti ledvico je lažje, kot jo ohraniti živo
Vsaka celica v našem telesu potrebuje kisik in hranila. Pri tankem koščku tkiva lahko snovi do celic pridejo iz okolice. Pri organu velikosti človeške ledvice to ne zadošča. Potrebujemo gosto in izjemno razvejano mrežo večjih in manjših žil ter mikroskopskih kapilar, ki kri pripeljejo skoraj do vsakega kotička tkiva. Če je ni, celice v notranjosti odmrejo.
Raziskovalci zato razvijajo načine, kako skupaj s tkivom ustvariti tudi žilne kanale in jih povezati v delujoče omrežje. Napredek je velik, toda izdelati celoten organ z milijardami pravilno razporejenih celic, ga prekrvaviti in doseči, da bo dolgoročno deloval tako zanesljivo kot naravni organ, je povsem druga raven zahtevnosti.
Zato danes še ne obstaja 3D-bioprintana človeška ledvica, srce ali jetra, ki bi jih zdravniki lahko rutinsko presadili bolniku.
Srce, ki je obkrožilo svet
Veliko pozornosti je leta 2019 vzbudila skupina raziskovalcev z Univerze v Tel Avivu, ki je iz človeških celic in biomateriala izdelala majhno 3D-natisnjeno srčno strukturo z žilami. Novica je hitro postala »prvo natisnjeno srce«. Toda pri tem je pomembna razlika. Ni šlo za miniaturno srce, ki bi delovalo kot pravo, usklajeno črpalo kri in bi ga bilo mogoče presaditi človeku. Šlo je za pomemben dokaz koncepta, da je mogoče iz pacientovih celic izdelati kompleksnejšo srčno strukturo. To je sicer velik korak, ni pa še nadomestno srce.
Največja revolucija 3D-biotiskanja se zato morda sploh ne bo začela v transplantacijskih operacijskih dvoranah. Dogaja se že v laboratorijih. Znanstveniki izdelujejo organoide – majhne tridimenzionalne strukture iz celic, ki posnemajo nekatere značilnosti pravih organov – ter druge 3D-modele človeških tkiv. Sorodno področje so sistemi organ-on-a-chip, pri katerih človeške celice rastejo v majhnih napravah z mikrokanali, skozi katere lahko teče tekočina in posnema del razmer v telesu. Takšen »mini organ« seveda ni pomanjšana ledvica ali jetra, ki bi ju lahko presadili. Je pa lahko zelo uporaben laboratorijski model. Na njem lahko raziskovalci opazujejo razvoj bolezni in preverjajo, kako se človeško tkivo odziva na zdravila.
Zdravilo najprej preizkusijo na vašem tkivu
Še bolj zanimiva je možnost personalizirane medicine. Predstavljajte si bolnika z rakom. Iz njegovih celic v laboratoriju izdelajo tridimenzionalni model njegovega tumorja in na njem preizkusijo več različnih zdravil.
Vprašanje tako ni več samo: »Katero zdravilo običajno najbolje deluje pri tej vrsti raka?«, ampak: »Katero zdravilo najbolje učinkuje na tkivo tega bolnika?«
Takšni pristopi so še predmet razvoja in niso univerzalna rešitev za izbiro terapije, vendar kažejo, da utegnejo biotiskanje, organoidi in napredni celični modeli na zdravljenje vplivati veliko prej, preden bomo znali natisniti celo ledvico.
Bomo potrebovali manj poskusov na živalih?
To bi lahko spremenilo tudi razvoj zdravil. Zdravilo, ki dobro deluje pri laboratorijski živali, pri človeku ne deluje nujno enako. Modeli iz človeških celic lahko zato pri nekaterih raziskovalnih vprašanjih ponudijo podatke, ki so neposredneje povezani s človeško biologijo. Biotiskana tkiva, organoidi in sistemi organ-on-a-chip bi lahko zmanjšali potrebo po nekaterih poskusih na živalih ter pomagali prej odkriti zdravila, ki so neučinkovita ali škodljiva. Ne bodo pa čez noč odpravili vseh poskusov na živalih. Celotnega človeškega organizma z imunskim, živčnim, hormonskim in drugimi med seboj povezanimi sistemi za zdaj še ne znamo zvesto posnemati v laboratoriju.
Kaj pa zavračanje novega organa?
Ena največjih obljub biotiskanja je možnost uporabe pacientovih lastnih celic. Pri klasični presaditvi imunski sistem darovani organ lahko prepozna kot tujega, zato morajo številni prejemniki jemati imunosupresivna zdravila. Organ, izdelan iz pacientovih lastnih celic, bi lahko tveganje imunskega odziva zmanjšal. Toda trditi, da bi bilo tveganje zavrnitve ničelno, bi bilo napačno.
Polno funkcionalnih biotiskanih notranjih organov ljudem še ne presajamo, zato niti nimamo kliničnih podatkov, na podlagi katerih bi lahko določili tak odstotek. Poleg celic lahko končni izdelek vsebuje različne biomateriale in druge komponente, pomembna pa bi bila tudi varnost celotnega postopka.
Obljuba je velika. Zagotovila še ni.
Kdaj bomo naročili novo ledvico?
Najbolj mamljiv odgovor bi bil: leta 2040. Ali 2050. Toda znanost takšnega datuma danes ne more dati. Preprostejša tkiva in posamezne regenerativne rešitve so bistveno bližje klinični uporabi kot srce, pljuča, jetra ali ledvice. Pri kompleksnih organih morajo raziskovalci rešiti ožiljenje, pravilno razporeditev in dozorevanje različnih vrst celic, dolgoročno delovanje, varnost, ponovljivost izdelave in številna regulatorna vprašanja.
Mogoče bomo nekoč res prišli do bolnišnice, v kateri bo zdravnik namesto čakanja na darovalca naročil izdelavo organa iz bolnikovih celic. Toda verjetno bomo učinke biotiskanja občutili precej prej in na manj spektakularen način: pri razvoju zdravil, raziskovanju bolezni, izdelavi tkivnih vsadkov in zdravljenju, prilagojenem posameznemu bolniku.
Morda prva velika revolucija ne bo ledvica, ki jo bomo natisnili in presadili človeku. Morda bo to majhen košček njegovega lastnega tkiva, ki bo zdravniku povedal, kako ga najbolje zdraviti.
