Των Aurelien Forget, Associate Lecturer in Macromolecular Chemistry, Queensland University of Technology και Tim Dargaville, ARC Future Fellow, A/Prof Polymer Chemistry, Queensland University of Technology. Πηγή: The Converation.
Τα όργανα του σώματος όπως τα νεφρά, το συκώτι και η καρδιά είναι απίστευτα πολύπλοκοι ιστοί. Το καθένα αποτελείται από πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων, συν άλλα συστατικά που δίνουν στα όργανα τη δομή τους και τους επιτρέπουν να λειτουργούν όπως τα χρειαζόμαστε.
Για να λειτουργήσουν τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα όργανα, πρέπει να μιμούνται αυτό που συμβαίνει φυσικά –τόσο ως προς τη διάταξη όσο και ως προς την εξυπηρέτηση μιας βιολογικής ανάγκης. Για παράδειγμα, ένας νεφρός πρέπει να επεξεργάζεται και να αποβάλλει τα απόβλητα με τη μορφή ούρων. Μια μελέτη υποδεικνύει μια νέα τεχνική για την τρισδιάστατη εκτύπωση κυττάρων και άλλων βιολογικών υλικών ως μέρος μιας ενιαίας παραγωγικής διαδικασίας. Είναι ένα ακόμη βήμα προς τη δυνατότητα εκτύπωσης πολύπλοκων, ζωντανών κατασκευών. Αλλά ίσως δεν είναι οι μεταμοσχεύσεις οργάνων η σημαντικότερη δυνατή συνέπεια αυτής της εργασίας. Υπάρχουν ήδη στοιχεία ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση κυττάρων είναι μια τεχνολογία χρήσιμη στην ανάπτυξη φαρμάκων, κάτι που μπορεί να μειώσει την επιβάρυνση των ζώων για δοκιμές και να φέρει νέες θεραπείες στην αγορά πιο γρήγορα και με ασφάλεια.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση αναπτύχθηκε για πρώτη φορά για την ταχεία κατασκευή βιομηχανικών εξαρτημάτων με τη χρήση μεθόδων γνωστών ως στερεολιθογραφία και μοντελοποίηση εναπόθεσης θρυαλλίδων. Προσθέστε «βιολογία» στην τεχνική της εκτύπωσης -δηλαδή κύτταρα- και γίνεται μια εντελώς νέα διαδικασία: η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση. Αυτό απαιτεί όμως στείρες συνθήκες για την αποφυγή μόλυνσης του βιοεκτυπωμένου δείγματος και κατάλληλη θερμοκρασία και υγρασία ώστε τα κύτταρα να μην πεθαίνουν. Επίσης, τα πλαστικά υλικά που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά στην τρισδιάστατη εκτύπωση δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιοεκτύπωση, καθώς απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες ή τοξικούς διαλύτες.
Ερευνητές σε όλο τον κόσμο αναπτύσσουν υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή ενώ προκαλούν ελάχιστη βλάβη στα κύτταρα. Ωστόσο, κάθε τύπος κυττάρου που συνθέτει τους διαφορετικούς ιστούς της ανθρώπινης ανατομίας απαιτεί ένα μοναδικό μηχανικό περιβάλλον. Κάθε ένα απαιτεί μοναδικά δομικά στηρίγματα για να λειτουργήσει κανονικά. Για παράδειγμα, τα οστά είναι ένα ανθεκτικό και εύθραυστο υλικό, οι μύες της καρδιάς είναι ελαστικά, σκληρά υλικά και τα εσωτερικά όργανα όπως το συκώτι είναι μαλακά και συμπιέσιμα.
Σε μια πρόσφατη δημοσίευση, φάνηκε ότι νέα υλικά που εξάγονται από θαλάσσια φύκια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τρισδιάστατη βιοεκτύπωση ανθρώπινων βλαστοκυττάρων σε διαφορετικά περιβάλλοντα και χωρίς να βλάπτουν τα κύτταρα. Αυτά τα ευρήματα ανοίγουν το δρόμο προς την εκτύπωση σύνθετων δομών ιστών. Επί του παρόντος, οι ασθενείς που χρειάζονται όργανα αντικατάστασης -μόσχευμα- πρέπει να περιμένουν τη διαθεσιμότητα (από ζώντες δωρητές ή νεκρούς δότες) και στη συνέχεια απαιτείται να λαμβάνουν ανοσοκατασταλτικά φάρμακα για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους, προκαλώντας παρενέργειες και δημιουργώντας τεράστιο κόστος για το σύστημα υγειονομικής περίθαλψης.
Μπορεί η ανάπτυξη τρισδιάστατων εκτυπωμένων βιολογικών ιστών για αντικατάσταση οργάνων να προσφέρει μια νέα λύση; H εκτύπωση ολόκληρων οργάνων είναι μια απίστευτα περίπλοκη διαδικασία, που απαιτεί εβδομάδες. Επίσης, ενώ αυτή η διαδικασία είναι κάπως προχωρημένη για σχετικά απλούς ιστούς όπως το δέρμα, η επόμενη φάση της τεχνολογίας απαιτεί την ενσωμάτωση νεύρων, αιμοφόρων αγγείων και λεμφικών αγγείων που θα ενσωματωθούν στο σύστημα του ξενιστή για τη δημιουργία μεταμοσχεύσιμων ολόκληρων οργάνων όπως νεφροί, πνεύμονες, καρδιά ή συκώτι. Βρισκόμαστε πιθανώς πολλά χρόνια μακριά από το να μπορέσουμε να βιοτυπώσουμε ολόκληρα, λειτουργικά ανθρώπινα όργανα. Αλλά υπάρχει ένας άλλος τρόπος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα βιοτυπωμένα κύτταρα: για τη δοκιμή νέων φαρμάκων στο εργαστήριο.
Βιοτυπωμένα κύτταρα για έλεγχο φαρμάκων
Χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες μεθόδους, η κυκλοφορία ενός νέου φαρμάκου στην αγορά έχει υπολογιστεί ότι κοστίζει, κατά μέσο όρο, 2,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ και μπορεί να διαρκέσει περισσότερα από δέκα χρόνια από την αρχή μέχρι το τέλος. Ακόμα κι αν καταφέρετε να εντοπίσετε ένα νέο υποψήφιο φάρμακο, η πιθανότητα έγκρισης από τις ρυθμιστικές αρχές είναι χαμηλή: το 2016 εγκρίθηκαν λιγότερο από 10% των υποψήφιων δραστικών ουσιών. Κατά την έναρξη κλινικών δοκιμών σε ανθρώπους, η πιθανότητα ενός φαρμάκου να κυκλοφορήσει στην αγορά είναι μεταξύ 10 και 15% ανάλογα με τον τύπο του μορίου. Γνωρίζουμε ότι αυτά τα φάρμακα αποτυγχάνουν κυρίως λόγω κακής αποτελεσματικότητας στους ανθρώπους παρά τα υποσχόμενα αποτελέσματα στα ζώα. Αυτή η διαφορά οφείλεται στη διαφορετική φυσιολογία μεταξύ των ειδών: τα τρωκτικά και άλλα ζώα δοκιμής διαφέρουν πολύ από τους ανθρώπους με πολλούς βασικούς τρόπους.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης επιτρέπει να εκτυπώνουμε πιο σύνθετα τρισδιάστατα μοντέλα που αναπαράγουν πτυχές του ήπατος, των νεφρών ή των καρδιακών μυών που είναι κατάλληλα για δοκιμή και αναγνώριση νέων φαρμακευτικών μορίων. Αυτά τα μοντέλα έχουν ήδη αρχίσει να χρησιμοποιούνται από τη πολυεθνικές φαρμακευτικές εταιρείες. Ενώ η χρήση ζώων στην έρευνα είναι ακόμα αναπόφευκτη, έχει ήδη αρχίσει να εξετάζεται το ενδεχόμενο ενσωμάτωσης εναλλακτικών λύσεων για την αξιολόγηση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας των φαρμάκων. Η ιδέα ότι οι βιοεκτυπωμένοι ιστοί υπόσχονται την ανάπτυξη φαρμάκων είναι ήδη αναγνωρισμένη, με φορείς χρηματοδότησης παγκοσμίως που υποστηρίζουν τις εργασίες σ’ αυτόν τον τομέα.
Το 2013 η Ευρωπαϊκή Ένωση ψήφισε έναν νόμο που απαγορεύει τη χρήση δοκιμών σε ζώα για την ανάπτυξη καλλυντικών στην επικράτειά της και τη λιανική πώληση προϊόντων που έχουν δοκιμαστεί στο εξωτερικό σε ζώα. Αυτός ο κανονισμός έχει επιταχύνει την ανάπτυξη των τρισδιάστατων μοντέλων δέρματος με βάση τον άνθρωπο για τη δοκιμή νέων καλλυντικών σκευασμάτων. Τα ψηφίσματα έγιναν δεκτά επειδή η τεχνολογία ήταν διαθέσιμη και επέτρεψε τη μείωση του αριθμού των ερευνητικών ζώων. Οι αλλαγές που έγιναν σε άλλους κλάδους σε συνδυασμό με τις συναρπαστικές τεχνολογικές εξελίξεις μας επιτρέπουν να ρίξουμε μια ματιά στο πώς η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση μπορεί να είναι σε θέση να συμβάλει σε ταχύτερους και φθηνότερους τρόπους δημιουργίας αποτελεσματικών νέων φαρμάκων.
