W surowo oświetlonym laboratorium w Winston-Salem w Karolinie Północnej znajduje się maszyna, która pod wieloma względami jest podobna do standardowej drukarki biurkowej. Ma zbiorniki z atramentem i dysze, wewnętrzny wentylator, aby utrzymać chłód, oraz zestaw gniazd wejściowych, których można użyć do podłączenia go do pobliskiego komputera. Od czasu do czasu może się zacinać. A jednak 800-funtowe stalowe i plastikowe urządzenie nie przypomina niczego, z czym się kiedykolwiek spotkałeś, ponieważ to, co drukuje, jest żywe - miliony żywych ludzkich komórek, zawartych w lepkim żelu i utkanych przez delikatne biodegradowalne podpory w drżącym podobiznie tkanka ludzka.
Z tej historii
Regeneracja tkanek in situ: rekrutacja komórek gospodarza i projektowanie biomateriałów
Kupowaćpowiązana zawartość
- Saving Face: Jak jeden pionier chirurg przesuwa granice transplantacji twarzy
Dziesięć lat zajęło wielu naukowcom i inżynierom zbudowanie i udoskonalenie zintegrowanego systemu drukowania tkanek i narządów lub ITOP. Ostatecznie jednak jest to pomysł jednego mężczyzny: 59-letniego doktora o imieniu Anthony Atala. Urodzony w Peru i wychowany poza Miami, Atala - dziś dyrektor Wake Forest Institute for Regenerative Medicine - ostatnią dekadę spędził próbując wydrukować żywe narządy.
„Dla mnie wszystko zaczęło się w Bostonie na początku lat 90.”, przypomina chirurg urologiczny i biotechnolog. „Ponieważ właśnie wtedy stanąłem twarzą w twarz z niedoborem narządów do przeszczepu”. W tym czasie Atala pracował jako pierwszy koncert po szkole medycznej, jako pracownik naukowy w Harvard Medical School. Każdego tygodnia podczas obchodów w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie spotykał kolejnego młodego pacjenta, który spędził miesiące lub nawet lata na czekaniu na narząd zastępczy. Niektórzy zmarli, zanim udało się znaleźć zastępczą nerkę lub wątrobę. Inni mieli ciężkie odpowiedzi immunologiczne na przeszczepione narządy. Atala uważał, że rozwiązanie jest jasne, choć dalekosiężne: narządy wyhodowane w laboratorium hodowano z własnych komórek pacjenta i chirurgicznie wszczepiano w ciało.
„W tamtych czasach zabrzmiało to bardzo science fiction”, przypomniał sobie Atala, „ale byłem pewien, że to przyszłość”. W 1999 r. W przełomowym eksperymencie Atala i zespół naukowców z Laboratorium Inżynierii Tkankowej i Terapii Komórkowej w szpitalu dziecięcym zbudowano zastępcze pęcherze dla siedmiu dzieci z ciężką postacią rozszczepu kręgosłupa, wyniszczającą chorobą, która może wpływać na drogi moczowe i jelita. Aby zbudować narządy, naukowcy najpierw zbudowali ręcznie rusztowania lub fundamenty z kolagenu i syntetycznego polimeru. Pobrali próbki tkanek od pacjentów i hodowali komórki z tej tkanki w płynie. Następnie pokryli fundamenty komórkami odpowiedniego pacjenta - komórkami mięśniowymi na zewnątrz i komórkami pęcherza wewnątrz - i pozwolili komórkom „gotować” lub rosnąć na rusztowaniu.
Siedem lat po tym, jak pierwszy pacjent wykonał na zamówienie pęcherze, wszczepiono pacjentom, Atala i Alan Retik, urolog ze Szpitala Dziecięcego, ogłosili, że wszyscy siedmiu pacjentów są w dobrym zdrowiu. Po raz pierwszy z powodzeniem wykorzystano laboratoryjne narządy jako zamienniki ich schorowanych odpowiedników biologicznych. Jedna z gazet uznała wyniki za „Świętego Graala medycyny”.
Atala była zadowolona. Wiedział jednak, że ręczne budowanie narządów wymaga zbyt wiele czasu i wysiłku, aby zaspokoić popyt. Naprawdę potrzebna była odrobina automatyzacji w stylu Henry'ego Forda. W 2004 r. Atala zgodziła się przewodzić takiej inicjatywie w Wake Forest, który znajduje się niedaleko North Carolina's Research Triangle, centrum biotechnologicznego i bazy domowej dla kilku firm drukujących w 3D.
Kiedy możesz zamówić nową część ciała przez Internet, będziesz musiał podziękować temu lekarzowi.Drukarki 3D, pierwotnie opracowane do produkcji, w połowie 2000 roku znacznie wykroczyły poza plastik. Pomyśl o materiale, a są szanse, że ktoś go wydrukuje: nylon, stal nierdzewna, czekolada. „Widziałem wyrównanie między instytucją a państwem, aby naprawdę skupić się na biotechnologii”, mówi Atala. „Wiedziałem, że jeśli zamierzamy przekazać te technologie pacjentom, potrzebujemy tej infrastruktury i wsparcia”.
Przez lata Atala i jego pracownicy byli w stanie opracować drukarki zdolne do drukowania niestandardowych rusztowań narządów ludzkich, które można ręcznie pokryć komórkami ludzkimi lub zwierzęcymi. Następnie skonstruowali drukarkę, która może drukować komórki skóry bezpośrednio na pacjencie, aczkolwiek w bardzo małych ilościach. Ale drukowanie tkanek okazało się dużym wyzwaniem, częściowo dlatego, że rozszerzająca się tkanka wymaga również stałego przepływu krwi i składników odżywczych. Mogliby wydrukować komórki na organ lub wydrukować naczynia krwionośne i inne tkanki podtrzymujące, ale nie byli w stanie wydrukować obu na raz w taki sposób, aby narząd przeżył.
Potem przyszedł czas na ITOP z podstawowymi przełomowymi technologiami. Unikalne zbiorniki utrzymują komórki ludzkie i zwierzęce przy życiu dłużej niż wcześniejsze modele drukarek; i bardzo precyzyjne igły lub strumienie drukują siatkę „mikrokanałów” o wymiarach 200 mikronów każda, w biomateriał. Naczynia te umożliwiają przepływ substancji odżywczych przez tkankę. W artykule opublikowanym na początku tego roku w Nature Biotechnology, Atala i pięciu badaczy Wake Forest ujawniło, że chrząstki, kości i tkanki mięśniowe wydrukowane na ITOP zostały skutecznie wszczepione gryzoniom i że dwa miesiące później tkanka rozwinęła układ krwi naczynia i nerwy. Testy na ludziach prawdopodobnie zostaną przeprowadzone w przyszłym roku, do czasu zatwierdzenia przez rząd.
Nie trzeba zaangażowanego futurysty, aby zrozumieć konsekwencje. Jeśli i kiedy maszyna taka jak ITOP trafi do produkcji komercyjnej, pewnego dnia może być możliwe „zamówienie” kawałka zamiennej skóry. W miarę ulepszania się maszyn mogą ewoluować od drukowania skóry do drukowania niezwykle złożonych narządów, takich jak nerki. Szpitale na całym świecie byłyby wyposażone w potomków ITOP. Niedobór narządów należałby do przeszłości.
To marzenie, które przyniosło Atalę do biotechnologii i wciąż go napędza. Ale Atala radzi cierpliwości: Testy materiału biologicznego na ludziach mogą trwać latami. W międzyczasie kontynuował swoją praktykę urologiczną i nadal odwiedza wielu pacjentów tygodniowo, oprócz wizyt na sali operacyjnej. „To dla mnie ważne”, mówi, „ponieważ jest to przypomnienie, dla kogo służysz - dla kogo to robisz. Celem tej technologii jest polepszenie życia pacjentów. Kropka."
Subskrybuj teraz magazyn Smithsonian za jedyne 12 USD
Ten artykuł jest wyborem z grudniowego wydania magazynu Smithsonian
Kupować
