Iekšā pūles izdrukāt plaušas un iedvest tajās dzīvību ar cilmes šūnām

Ar 3D Systems atļauju

Pagājušajā mēnesī man bija iespēja turēt rokās cilvēka elpceļu augšdaļas kopiju — elpvadu un pirmos divus bronhus. Tas bija izgatavots no kolagēna, bioloģiskā cementa, kas satur mūsu ķermeni kopā. Tas bija slidens un dobs, ar nepietiekami vārītu makaronu konsistenci.

Struktūra tika izveidota no ledusskapja izmēra 3-D printera Mančestrā, Ņūhempšīrā, United Therapeutics priekšpostenī, uzņēmumam, kas nopelna vairāk nekā miljardu dolāru gadā, pārdodot zāles plaušu slimību ārstēšanai.

Kādu dienu uzņēmums saka, ka tas plāno izmantot tādu printeri kā šis, lai ražotu cilvēka plaušas neierobežotā daudzumā un pārvarētu nopietnu donoru orgānu trūkumu.

Audu biodrukāšana nav jauna ideja. 3-D printeri var izgatavot cilvēka ādu, pat tīklenes. Tomēr metode līdz šim ir bijusi ierobežota ar audiem, kas ir ļoti mazi vai ļoti plāni un kuriem trūkst asinsvadu.

Tā vietā uzņēmums United izstrādā printeri, kas, pēc tā domām, spēs izgatavot stingru, gumijotu plaušu kontūru izsmalcinātā detaļā, ieskaitot visus 23 lejupejošos elpceļu zarus, gāzes apmaiņas alveolas un smalku. kapilāru tīkls.

No kolagēna izgatavotas plaušas nevienam nepalīdzēs: īstām plaušām tas ir tas, kas īstai vistai ir gumijas vista. Tāpēc United arī izstrādā veidus, kā impregnēt matricu ar cilvēka šūnām, lai tās pievienotos un iezagtos tajā, padarot to dzīvu.

Mēs cenšamies būvēt mazās nūju mājiņas, kurās šūnas varētu dzīvot, saka Dereks Moriss, United orgānu ražošanas grupas projekta vadītājs.

Ērģeļu uzņēmējs

3-D drukas projekts ir jaunākais no virknes augstas vadu inženierijas darbu, ko uzsāka United izpilddirektore Martina Rotblata, kādreizējā aviācijas un kosmosa uzņēmēja (viņa bija Sirius Satellite Radio dibinātāja izpilddirektore), kura deviņdesmitajos gados pēc viņas mainīja karjeru. meita saslima ar retu plaušu slimību.

Izveidojot United, Rotblata par 25 000 ASV dolāriem iegādājās pamestu narkotiku uzņēmumā, kas padarīja viņu par visvairāk apmaksātais izpilddirektors biofarmācijas nozarē pagājušajā gadā —kad viņa arī noteica a ātruma rekords elektriskajā helikopterā. Rotblata saka, ka viņa sagaida, ka elektriskie bezpilota lidaparāti kādreiz izsūks orgānus no viņas rūpnīcas visur, kur tie būs nepieciešami.

United jau ir izdarījis dažas riskantas orgānu likmes. Viens no tā meitasuzņēmumiem Revivicor piegādā ķirurgiem ģenētiski modificētu cūku sirdis, nieres un plaušas (līdz šim tās ir izmantotas paviāniem). Vēl viens, Lung Bioengineering, atjauno plaušas no cilvēku donoriem, sūknējot tajās siltu šķīdumu. Apmēram 250 cilvēku jau ir saņēmuši plaušas, kuras citādi būtu klasificētas kā medicīniskie atkritumi.

Negaidiet, ka drīz tiks pilnībā izgatavoti orgāni. United savās kompānijas prognozēs prognozē, ka tas nenotiks vēl 12 gadus. Rotblats atzīst, ka drukātā struktūra, ko es redzēju, ir tikai sākums. Viņa saka, ka tās ir tikai divas filiāles un nav šūnu.

Neskatoties uz to, United centieni drukāt veselus orgānus, kas tika uzsākti pagājušajā gadā, var būt nozares lielākie. Tas nolīga Dienvidkarolīnas uzņēmumu 3D Systems, lai izveidotu printeri, un maksā citam uzņēmumam 3Scan, lai tas sagrieztu plaušas un izveidotu detalizētas to interjera kartes. Tajā ir pieejami darba sludinājumi tādām lomām kā matemātiķis — cilvēka orgānu dizains.

United orgānu ražošanas grupa atrodas tajā pašā bijušo tekstila rūpnīcu kompleksā, kur BioFabUSA, Aizsardzības departamenta audu drukas iniciatīva 80 miljonu ASV dolāru apmērā. Dīns Kamens, plaši pazīstamais izgudrotājs, kurš vada BioFabUSA, saka, ka tikšanās ar Rotblatu bija tas, kas lika viņam iesniegt pieteikumu valdībai par institūta uzņemšanu. Es redzēju brīnumus, ar kuriem viņa spēlējas, un neapmierinātību ar aprīkojumu, ko viņa izmanto, lai to izdarītu, viņš saka. Kamenam biologus traucē tas, ko viņš sauc par 19. gadsimta kolbu un vārglāžu tehnoloģija.

3-D druka

Kolagēna printeris, ko tagad izmanto 3D Systems, darbojas saskaņā ar metodi, ko sauc par stereolitogrāfiju. UV lāzers mirgo cauri seklam kolagēna baseinam, kas leģēts ar gaismjutīgām molekulām. Visur, kur lāzers paliek, kolagēns sacietē un kļūst ciets. Pakāpeniski drukājamais objekts tiek nolaists un tiek pievienoti jauni slāņi.

United izpilddirektore Martina Rotblata Andrē Čuna | Wikimedia Commons

Saskaņā ar United teikto, printeris pašlaik var novietot kolagēnu ar aptuveni 20 mikrometru izšķirtspēju. Tomēr plaušu anatomisko detaļu drukāšanai būs nepieciešami līdzekļi, kas ir mazāki par mikrometru.

Kad redzat plaušu sarežģītību, to, ko daba dara no ieņemšanas līdz piedzimšanai, nav iespējas to apstrādāt vai veidot. 3-D drukāšana ir vienīgais veids, kā izveidot šo ģeometriju, saka Pedro Mendoza, 3DSystems biodrukas direktors.

Mendoza saka, ka 3D Systems plāno importēt metodes no pusvadītāju nozares, piemēram, maskas, spoguļus un jaudīgākus lāzerus, lai uzlabotu printera izšķirtspēju. Ātrums arī ir problēma. Struktūras drukāšanai bija nepieciešamas 12 stundas. Pilnīgu, detalizētu plaušu sastatņu izveidošana ar to pašu printeri aizņemtu gadu.

Biodrukāšana

Daži bioprintēti audi ir tuvu izmantošanai medicīnā. Komanda Spānijā ir apdrukājusi ādu, kuru, pēc tās domām, varētu izmantot apdegumu slimniekiem. Tomēr visi mūsdienās ražotie salvetes ir papīra plāni. Tām ir jābūt, jo trūkst asinsvadu. Jebkurš lielāks un audi nomirtu no iekšpuses uz āru.

Lai gan daži pētnieki ir izdrukājuši dzīvo asinsvadu prototipus, šie centieni joprojām ir sākumposmā. Pagaidām neviens nav pretendējis uz 300 000 dolāru balvu, ko NASA piedāvāja pirmajam zinātniekam, kurš spēj izdrukāt dzīvos audus viena centimetra biezumā. Cilvēka plaušu pāris ir daudz ietilpīgāks, sver apmēram trīs mārciņas.

Daži uzņēmumi saka, ka joprojām ir pāragri runāt par visu orgānu drukāšanu. Mēs visi domājam, ka kaut kad nākotnē tas būs iespējams. Mēs atšķiras no tā, cik ilgi tas prasīs, saka Šarona Presnela, Kalifornijas uzņēmuma Organovo galvenā zinātniece, kas drukā plānas, elastīgas aknu loksnes. Vai jūs varat iegūt kaut ko šāda izmēra ar asinsvadu, un vai tas var izturēt fizioloģisko spiedienu? Lielākā daļa no mums mēģina staigāt pirms skriešanas.

Šūnu pievienošana

Tomēr ne United. Tajā teikts, ka problēma ar citiem centieniem ir tā, ka tiek izmantotas ekstrūzijas metodes, izspiežot šūnas un olbaltumvielas caur smalkām adatām. Luiss Alvaress, bioinženieris, kurš vada United orgānu ražošanas grupu, salīdzina šūnu drukāšanu ar ūdens balonu stumšanu caur salmiņu. Viņš saka: jūsu drukāšanas izšķirtspēju ierobežo šūnas izmērs.

Tā vietā United plāno vispirms izdrukāt plaušu sastatnes un pēc tam ievadīt to ar cilvēka šūnām, un šo procesu sauc par šūnu atjaunošanos.

Ir agrīni pierādījumi, ka kolagēna matricu var pārvērst atpakaļ funkcionējošā plaušās. Šogad eksperimentā, ko daļēji finansēja United, Hārvardas universitātes eksperimentālais ķirurgs Haralds Ots ziņoja, ka viņš ir iesūknējis miljardiem cilvēka šūnu (no nabassaites un kubiņos sagrieztām plaušām) cūkas plaušās, kurām ir atdalītas paša šūnas. Kad Ota komanda to atkal pievienoja cūkas cirkulācijai, iegūtais orgāns uzrādīja elementāru funkciju, lai gan eksperiments ilga tikai stundu.

Jūs saņemat asinis caur sistēmu un iegūstat gāzu apmaiņu, saka Finns Hokinss, Bostonas universitātes cilmes šūnu biologs, kurš nav iesaistīts United projektā. Tas ir ievērojams. Bet tas ir tāls ceļš līdz transplantējamiem orgāniem.

Hokinss saka, ka Ota orgāniem trūka svarīgu šūnu tipu, piemēram, viļņaino skropstu, kas noņem flegmu. Turklāt joprojām nav skaidrs, kā iegūt cilvēka šūnas tādā daudzumā, kāds nepieciešams, lai nodrošinātu nākotnes orgānu rūpnīcu. Nav pietiekami daudz cilvēku plaušu no mirušiem donoriem, lai apmierinātu pieprasījumu.

United saka, ka plāno izmantot cilmes šūnas, lai savās laboratorijās ražotu nepieciešamos audus, taču arī tas nav viegls uzdevums.

Es domāju, ka biodrukāšana var būt vismazāk problemātiskā daļa, saka Hokinss. Tiklīdz jūs pieminējat kaut ko lielāku par peli, es teiktu, ka ir grūti izveidot tik daudz šūnu.

Jauni orgāni

Ja ērģeles varētu ražot lielā skaitā, tas ne tikai atrisinātu orgānu trūkumu. Tas galu galā varētu pārveidot cilvēka dzīves ilgumu. Kā būtu ar jaunas sirds vai plaušu iegūšanu 80 gadu vecumā?

Lai tur nokļūtu, United būs jāizdara nevis viens, bet vairāki tehnoloģiski mēness šāvieni. Tomēr Alvaress saka, ka United paredz, ka tās dažādie tehnoloģiju projekti — 3-D drukātās sastatnes, recellularizācijas tehnika un centieni ražot plaušu audus no cilmes šūnām — kādreiz nākotnē krustosies.

Viņš saka, ka līdz tam laikam, kad mēs izdrukāsim vislabāko plaušu daļu, mēs zināsim, kā to atjaunot.

paslēpties