Anthony Atala, bioinženýr - o 3D tisku orgánů, kmenových buněk a mikro srdcí

Zahajte regeneraci

První úspěšná transplantace orgánů na světědošlov roce 1954 - chirurg

Joe Murray implantoval pacientovi ledvinu.Díky tomu bylo mnoho později zachráněno.lidí. Tyto orgány však stále nestačí a navíc dochází k reakci na odmítnutí štěpu. Proto pozorujeme obrovský nedostatek orgánů: za posledních 10 let se počet pacientů, kteří potřebují transplantaci, zdvojnásobil, zatímco počet procedur se zvýšil o méně než 1%.

Každý rok se jich po celém světě vyrobí v průměru 100 800 kusůtransplantace orgánů. Nejčastěji se transplantují ledviny (69 400 operací), játra (20 200), srdce (5 400), plíce (2 400) a slinivka (2 400). Darování může být příbuzné a posmrtné, kdy je požadovaný orgán odebrán z mrtvoly. Přitom například v Rusku je průměrná čekací doba na dárcovskou ledvinu 1,5–2 roky. Ve Výzkumném ústavu Sklifosovsky se ročně provede asi 200 operací, přičemž na čekací listině je přibližně 500 lidí.

Příroda vytvořila buňky takovým způsobem, že vždy vědí, co mají dělat.Každý má schopnost regeneracebuňka má takový potenciál. Kožní buňky se aktualizují každé dva týdny, střevní buňky - dva týdny a mozkové buňky - každých deset let. Problém je v tom, že neregenerujeme tkáň, když dojde k onemocnění, jizvě nebo poškození. V tomto okamžiku se regenerace zastaví a regenerativní medicína zde může pomoci. Pacientovi odebíráme velmi malou svalovou tkáň, poté tyto buňky zpracujeme a umístíme do oblasti, kde se nachází poškozený sval. Může být také použit pro pacienty s popáleninami: v tomto případě odebíráme malý vzorek kůže pacienta, potom zpracováváme buňky a jednoduše je aplikujeme na poškozené oblasti pomocí spreje. Navíc, pokud je pacient zraněn, musíte ho nejprve léčit, zbavit se infekce a počkat, až bude připraven k léčbě.

Pěstujte nový orgán

Místo buněk můžete použít tzv. Substrát - druh stavebního rámu.Jeho materiály jsou velmi podobné šicím materiálům.Rozpouštějí se během několika měsíců a jsou bezpečné pro člověka i buňky. Pacientovi odebereme malý vzorek tkáně, pak tyto buňky zpracujeme mimo tělo, kultivujeme je, pomocí lešení vytvoříme tubulární a implantujeme je pacientovi. Celý proces trvá přibližně 30 dní. Totéž platí pro krevní cévy. Tyto buňky položíme na materiál, pak tento orgán trénujeme. Když se komprese stane tím, co potřebujeme, cévy se implantují lidem. Nejsložitější orgán je pevný orgán s krevním oběhem, jako je srdce, ledviny a játra, protože existují různé typy tkání a všechny mají tolik krevních cév.

Zdravá Moskva

Nejjednodušší způsob, jak pěstovat jednoduché textilie. V klinické praxi se již používá metoda regenerace kůže pomocí speciálních hydrogelů nebo buněk pacienta.

Gordana Wunyak-Novakovich na Columbia University vyrostla část kosti lebky a zasetím rámu kmenovými buňkami.

Na univerzitě Johns Hopkins University byli lékaři odstraněniuši pacientů a část lebky postižená nádorem. Vyjmuli chrupavkovou tkáň z hrudníku, krevních cév a kůže, vyrostli jí nové ucho na ruce a potom transplantovali umělý orgán na místo.

Úspěšné experimenty na kultivaci a transplantaci krevních cév se uskutečnily na univerzitách v Göteborgu (Švédsko) a Rice (USA). Existují také příklady rostoucích svalů, krvinek, kostní dřeně a zubů.

Pokud jde o kultivaci složitých orgánů,experimenty se stále provádějí hlavně na zvířatech. Existují však příklady úspěšných transplantací uměle pěstovaných orgánů lidem. Anthony Atala již několik let provádí implantační operace na močovém měchýři vypěstovaném z buněk pacienta. Španělští chirurgové transplantovali průdušnici pěstovanou na základě dárcovských karaf.

Pokročilá buněčná technologie v roce 2002pěstovala 5 cm dlouhou miniaturní ledvinu krávy pomocí technologie klonování a odebírala buňky z ucha zvířete. Vedle hlavních orgánů byla implantována ledvina a začala úspěšně produkovat moč.

Existují také pozitivní zkušenosti s pěstováním a transplantací jater laboratorním potkanům (University of Massachusetts) a plic prasatům (University of Texas).

Cévy transplantovaných orgánů jsou velmi malé.S touto prací jsme již začali před 30 lety, ale myneexistovala žádná technologie. Začali uvažovat o odebrání orgánů lidí, kteří zemřeli, a jejich opětovném použití. Zesnulému pacientovi vyjmuli játra a jakoby je zevnitř vymyli. Po dvou týdnech játra stále vypadala jako játra, ale uvnitř nebyly žádné buňky. Podařilo se nám však zachovat cévní strom, jako je například kostra jater. Poté odebrali pacientovy buňky, vypěstovali je a umístili na tuto kostru. Z těla pacienta vytváříme tkáň a tím ho ošetřujeme. Proto neexistuje vůbec žádná imunitní odpověď. To je velmi velká výhoda regenerativní medicíny.

Zdravá Moskva

I z velmi špatného orgánu můžeme pomocí biopsie získat dobré buňky.Ale nemůžeme to udělat s genetikounemocí, protože vada bude v celé tkáni. Zde jsou další technologie - bereme buňky od tohoto pacienta, opravujeme defekty, jak tyto buňky léčit, a poté pracujeme na stejné strategii. Zatím je to bohužel experimentální, ale stále existuje naděje, že genetická onemocnění lze léčit.

Život našich pacientů vždy sledujeme nejméně 5–8 let po transplantaci.Musíme se ujistit, že vše bude v pořádku, teprve potom můžeme říci, že tato technologie fungovala a transplantované orgány fungují normálně.

Orgánový tisk a testování léků

Můžete si vytisknout miniaturní srdíčko a do dvou hodin už bije.Před šesti lety jsme začali používat 3D tisk,protože bylo nutné tyto technologie škálovat - předtím jsme všechno dělali ručně. Orgány získané tiskem však neměly takovou integritu, aby mohly být implantovány do těla. Pak jsme začali vyvíjet konkrétnější tiskárny, které by mohly vytvářet lidskou tkáň. A na tom pracovali 14 let.

Byly provedeny první bioprintingové experimentyBěžné domácí 3D tiskárny, které byly v terénu upgradovány. V roce 2000 Thomas Boland postavil stroje Lexmark a HP, aby na ně bylo možné tisknout fragmenty DNA, a v roce 2003 patentoval tuto technologii.

Nyní několikspolečnosti. Bioinženýři společnosti Organovo vyvinuli technologii pro tisk jaterní tkáně. Také tiskli ledviny, které zůstaly funkční dva týdny. Dosud jsou taková těla používána pouze pro testování lékařských přípravků, ale tvůrci nevylučují, že brzy začnou vyvíjet zařízení pro tisk dárcovských orgánů.

Ruští bioinženýři z 3D Bioprinting Solutions vyvinuli 3D tiskárnu FABION a provedli úspěšný experiment v tisku štítné žlázy a transplantaci své experimentální myši.

Tiskárny Fripp Designs, navržené Sheffield University, tisknou protézy očí. Stejný tým vyvíjí technologii 3D tisku pro nosy, uši a brady.

Některá zařízení vyrábíme pro vlastní potřebupotřebám zákazníků a není určen k prodeji (FABION, Organovo NovoGen MMX). Ceny komerčních biotiskáren začínají od 10 tisíc dolarů (BioBots) a 5 tisíc eur (CELLINK Inkredible) až po 200 tisíc dolarů a výše (EnvisionTEC’s 3D Bioplotter, RegenHU’s 3DDiscovery).

Pro 3D tiskárnu pro tisk orgánů existuje pět zajímavých kritérií.Za prvé, mají velmi malé tryskymůže dosahovat až 2 mikronů – to jsou 2 % průměru lidského vlasu. Za druhé, tato tiskárna nám dává přesnost, můžeme rozmístit buňky tam, kde jsou skutečně potřeba. Třetí je bioink, kapalina, která prochází tryskou. A pak, když se stane želatinou, už funguje jako normální tkáň. Dalším kritériem jsou mikrokanály, které zajišťují výživu centrální části buněk. V podstatě se jedná o krevní náhražky. A nakonec software, který vám umožní mít trojrozměrný obraz. Tímto způsobem pochopíme, co se v těle děje, a vytvoříme strukturu potřebnou pro daný orgán. K tomu bereme digitální data z rentgenu a používáme je k vytvoření struktury speciálně pro tuto vadu u konkrétního pacienta.

Zdravá Moskva

Máme dva certifikované systémy pro tisk lidských orgánů.Jsou schváleny FDA.Správa potravin a léčiv ve Spojených státech - Hi-Tech). Za posledních šest let jsme použili tiskárnu k vytvoření takzvaného programu body-on-a-chip. Nyní je to ve fázi vývoje, protože je nutné zajistit životaschopnost těchto orgánů, ale obecně můžeme vyrobit miniaturní plíce, srdce, krevní cévy a celý tento systém připojit na čipy. Můžeme také vytvořit miniaturní orgány velikosti špendlíkové hlavičky a zjistit, jak tyto orgány reagují na léky. Pokud například lék zrychlí váš srdeční rytmus, zrychlí váš srdeční rytmus v našem miniaturním srdci. Je tedy možné identifikovat vedlejší účinky léků, které nejsou detekovány jinými testy.

Vyhněte se vedlejším účinkům

Pomocí tištěných miniaturních orgánů můžete lék otestovat.Například droga "Hismanal", 11 letna trhu po celém světě. Toto antipsychotikum se také používá jako antihistaminikum. Po nějaké době jeho užívání se ukázalo, že mnoho pacientů pociťuje nežádoucí účinky spojené se srdeční dysfunkcí. Když byl lék testován na buňce, nebyly žádné problémy, když byl testován na zvířatech, nebyly žádné problémy. Když byla provedena první, druhá a třetí fáze klinických studií, nic se nestalo. Vzali jsme tento lék, použili ho na naše orgány na čipech a během týdne se ukázalo, že tento lék je toxický pro srdce.

Důvodem je skutečnost, že každý reaguje jinak.u drog je vše geneticky odlišné, stejný lék bude zpracován odlišně. Každý má jinou stravu, různé životní podmínky, různé zdravotní potíže. To působí jako překážka pro pochopení toho, co tento lék skutečně dělá s orgány. A pokud odstraníme všechny tyto překážky a uvidíme přímo, jak lék působí na orgány, můžeme okamžitě zjistit toxicitu.

Dnes vyvíjíme systém, který nazýváme „tělo na čipu“.Zejména pomůže snížit toxicitu.léky – například pro práci s pacienty s rakovinou. Můžeme vzít malou rakovinnou buňku a vypěstovat ji a pak otestovat chemoterapii na čipu, než dáme tuto terapii pacientovi. Měli jsme pacienta s melanomem, byl šest měsíců na chemoterapii, utratilo se hodně peněz a nádor jen rostl. Testovali jsme lék, o kterém se neuvažovalo, a pacient ho začal dostávat. O dva týdny později pacient poprvé řekl, že se jeho stav zlepšuje, a lékař poznamenal, že nádor ubývá. Proto je velmi užitečné lék před podáním pacientovi otestovat.

Kmenové buňky: vytvářejte co není

Když potřebujete vypěstovat orgán, který pacient nikdy neměl nebo o něj nepřišel, lze použít kmenové buňky.Obvykle, abychom pěstovali ledviny, beremeledvinové buňky, abychom pěstovali močovou trubici, bereme buňky močové trubice. Ale v případě kmenových buněk můžeme vzít ten, který se může stát buňkou v plicích, ledvinách nebo krevních cévách. Existují dva hlavní typy kmenových buněk. Jedním z nich je lidské embryonální. Jsou velmi silní, rostou a mohou se proměnit v cokoli, ale mohou také vytvářet nádory, takže je velmi obtížné je používat. Na druhou stranu, pokud mluvíme o těchto buňkách u dospělých, mohou to být buňky tukové nebo kostní dřeně, nebudou tvořit nádory, ale nerostou tak dobře.

Poprvé byl použit termín „kmenová buňka“Německý vědec Valentin Haacker na konci 19. století. V roce 1909 ruský vědec Alexander Maximov navrhl, že v těle zůstávají buňky, které zůstávají nezměněny, ale v pravý čas mohou program změnit a proměnit v buňky jiného typu.

Tato teorie byla potvrzena v 60. letech.minulé století. Američané James Till a Ernest McCullough ozařovali myši smrtící dávkou záření a poté je transplantovali kmenovou buňkou od zdravého jednotlivce. Ukázalo se, že tímto způsobem je možné obnovit krev a zachránit myši před smrtí. Od roku 1964 se tato metoda používá při léčbě rakoviny krve: pacienti nejprve ničí své vlastní krvinky a poté transplantují zdravé kmenové buňky od dárce. Účinnost této metody dosahuje 70–80%.

V roce 1981 Martin Evans a Matthew Kaufmanparalelně s Gail Martinem byly izolovány embryonální kmenové buňky z myších embryí. Tyto buňky by mohly existovat neomezeně dlouho mimo tělo, aniž by změnily své vlastnosti, a když se dostanou do určitých podmínek, například zpět do těla, promění se v tkáně.

V roce 1999 časopis Science zařadil objev kmenových buněk jako jeden ze tří největších objevů v biologii po dekódování programu DNA a lidského genomu.

Dlouho se věřilo, že pokud kmenová buňkapřeměněn na tkáňovou buňku, je nemožné, aby to znovu stonek. V roce 2006 však japonská Xinya Yamanaka objevila způsob, jak proměnit somatické buňky zpět na kmenové buňky. Za to v roce 2012 obdržel Nobelovu cenu.

Zdravá Moskva

Asi před 17 lety jsme začali hledat alternativní zdroj kmenových buněk.. Navrhuje se, že existuje jiný typ stonkubuňky přítomné v plodové vodě a v placentě, s níž je dítě obklopeno v děloze. A našli jsme tyto velmi silné kmenové buňky. Nebudou tvořit nádory a mohou se proměnit ve tři hlavní kategorie tkáně, které tvoří naše tělo. Tyto buňky mohou být rychle pěstovány v dostatečném množství. Tímto způsobem se vyhýbáme všem omezením buněk kostní dřeně a jiných typů buněk. Nyní jsou předmětem řady klinických studií a dosud se příliš nepoužívají.

Nechci, abyste si mysleli, že všechny problémy jsou již vyřešeny a můžete si jen vytisknout orgány.Bude to trvat desetiletítechnologie se mohla vyvíjet. To je velmi obtížné a vyžaduje nám to spoustu času, abychom mohli vyvinout samotný recept, který umožní, aby technologie fungovaly optimálně. Navíc jsou to drahé technologie, bude obtížné je replikovat, ale můžeme s jistotou říci, že mají potenciál. A pro nás je to příslib regenerativní medicíny - zlepšit život pacientů.