There are currently hundreds of thousands of people on transplant lists, waiting for critical organs like kidneys, hearts, and livers that could save their lives. Unfortunately, there aren’t nearly enough donor organs available to fill that demand.
Obecnie setki tysięcy ludzi oczekuje na przeszczepy niezbędnych organów takich jak nerki, serca czy wątroby, które mogłyby uratować ich życie. Niestety, nie ma wystarczającej liczby dawców, aby wypełnić to zapotrzebowanie.
What if instead of waiting, we could create brand-new, customized organs from scratch? That’s the idea behind bioprinting, a branch of regenerative medicine currently under development. We’re not able to print complex organs just yet, but simpler tissues including blood vessels and tubes responsible for nutrient and waste exchange are already in our grasp.
Co, jeśli zamiast czekania moglibyśmy stworzyć nowe, spersonalizowane organy od podstaw? Tym właśnie jest biodrukowanie, czyli gałąź rozwijającej się medycyny regeneracyjnej. Jeszcze nie jesteśmy w stanie drukować złożonych organów, ale prostsze tkanki, włączając naczynia krwionośne i przewody odpowiedzialne za wymianę składników odżywczych i metabolitów, są już w naszym zasięgu.
Bioprinting is a biological cousin of 3-D printing, a technique that deposits layers of material on top of each other to construct a three-dimensional object one slice at a time. Instead of starting with metal, plastic, or ceramic, a 3-D printer for organs and tissues uses bioink: a printable material that contains living cells.
Biodrukowanie to biologiczny kuzyn druku 3D, techniki, która poprzez nakładanie na siebie warstw materiału, kawałek po kawałku tworzy trójwymiarowy przedmiot. Zamiast zaczynać z metalem, plastikiem czy ceramiką, drukarka 3D dla organów i tkanek wykorzystuje biotusz, materiał, który zawiera żywe komórki.
The bulk of many bioinks are water-rich molecules called hydrogels. Mixed into those are millions of living cells as well as various chemicals that encourage cells to communicate and grow. Some bioinks include a single type of cell, while others combine several different kinds to produce more complex structures.
Główną częścią wielu biotuszów są bogate w wodę cząstki nazywane hydrożelem. Jest to mieszanina milionów żywych komórek ze związkami chemicznymi stymulującymi komórki do komunikacji i wzrostu. Niektóre biotusze zawierają jeden typ komórki, a inne łączą wiele różnych rodzajów, by stworzyć bardziej złożoną strukturę.
Let’s say you want to print a meniscus, which is a piece of cartilage in the knee that keeps the shinbone and thighbone from grinding against each other. It’s made up of cells called chondrocytes, and you’ll need a healthy supply of them for your bioink. These cells can come from donors whose cell lines are replicated in a lab. Or they might originate from a patient’s own tissue to create a personalized meniscus less likely to be rejected by their body. There are several printing techniques, and the most popular is extrusion-based bioprinting. In this, bioink gets loaded into a printing chamber and pushed through a round nozzle attached to a printhead. It emerges from a nozzle that’s rarely wider than 400 microns in diameter, and can produce a continuous filament roughly the thickness of a human fingernail.
Powiedzmy, że chcesz wydrukować łąkotkę, część chrząstki w kolanie, która zapobiega tarciu między kośćmi piszczelową i udową. Jest ona zbudowana z komórek tkanki chrzęstnej włóknistej, potrzebnych do biotuszu. Komórki pochodzące od dawców zostaną następnie rozmnożone w laboratorium. Mogą być też pobrane z tkanek samego pacjenta, aby stworzyć spersonalizowaną łąkotkę, której ryzyko odrzucenia będzie mniejsze. Jest kilka technik drukowania, a ta najbardziej popularna oparta jest na wytłaczaniu. Biotusz zostaje załadowany do komory drukującej i jest wypychany przez okrągłą dyszę przyczepioną do głowicy drukującej. Biotusz przedostaje się przez dyszę, która rzadko kiedy jest szersza niż 400 mikronów i może wyprodukować ciągły filament o grubości mniej więcej ludzkiego paznokcia.
A computerized image or file guides the placement of the strands, either onto a flat surface or into a liquid bath that’ll help hold the structure in place until it stabilizes. These printers are fast, producing the meniscus in about half an hour, one thin strand at a time.
Komputerowy obraz decyduje o umiejscowieniu włókien na płaskiej przestrzeni lub w łaźni laboratoryjnej, która pomoże utrzymać strukturę na miejscu do momentu jej ustabilizowania. Takie drukarki są szybkie, potrafią wyprodukować łąkotkę w około pół godziny, jedno cienkie włókno po drugim.
After printing, some bioinks will stiffen immediately; others need UV light or an additional chemical or physical process to stabilize the structure. If the printing process is successful, the cells in the synthetic tissue will begin to behave the same way cells do in real tissue: signaling to each other, exchanging nutrients, and multiplying.
Po drukowaniu niektóre biotusze szybko stwardnieją, inne będą potrzebowały promieni UV albo procesu chemicznego lub fizycznego, żeby ustabilizować wydrukowaną strukturę. Jeśli proces drukowania jest udany, komórki w tkance syntetycznej zaczną zachowywać się tak samo, jak komórki w prawdziwej tkance, będą przekazywać informacje, transportować składniki odżywcze oraz rozmnażać się.
We can already print relatively simple structures like this meniscus. Bioprinted bladders have also been successfully implanted, and printed tissue has promoted facial nerve regeneration in rats. Researchers have created lung tissue, skin, and cartilage, as well as miniature, semi-functional versions of kidneys, livers, and hearts. However, replicating the complex biochemical environment of a major organ is a steep challenge. Extrusion-based bioprinting may destroy a significant percentage of cells in the ink if the nozzle is too small, or if the printing pressure is too high. One of the most formidable challenges is how to supply oxygen and nutrients to all the cells in a full-size organ. That’s why the greatest successes so far have been with structures that are flat or hollow— and why researchers are busy developing ways to incorporate blood vessels into bioprinted tissue.
Już teraz możemy drukować proste struktury takie jak łąkotka. Wydrukowane pęcherze również zostały wszczepione z powodzeniem, a wydrukowana tkanka pobudziła regenerację nerwu twarzowego u szczurów. Badacze stworzyli tkankę płuc, skórę oraz tkankę chrzęstną, a także miniaturowe wersje nerek, wątroby i serca. Jednakże replikowanie złożonego biochemicznego środowiska ważnego organu jest dużym wyzwaniem. Oparte na wytłaczaniu biodrukowanie może zniszczyć znaczną część komórek, jeśli dysza jest zbyt wąska lub ciśnienie w niej jest zbyt wysokie. Jednym z największych wyzwań jest dostarczanie tlenu i składników odżywczych do wszystkich komórek w narządzie. Dlatego do tej pory największy sukces osiągnięto ze strukturami płaskimi lub pustymi w środku, a badacze poszukują sposobów na włączenie naczyń krwionośnych do wydrukowanych tkanek.
There’s tremendous potential to use bioprinting to save lives and advance our understanding of how our organs function in the first place. And the technology opens up a dizzying array of possibilities, such as printing tissues with embedded electronics. Could we one day engineer organs that exceed current human capability, or give ourselves features like unburnable skin? How long might we extend human life by printing and replacing our organs? And exactly who—and what— will have access to this technology and its incredible output?
Biodrukowanie ma ogromny potencjał, aby ratować życie i pozwolić nam lepiej zrozumieć, jak działają nasze organy. Technologia otwiera wiele możliwości, takich jak drukowanie tkanek z wbudowanymi elementami elektronicznymi. Czy będziemy w stanie wyprodukować organy, których wydajność przewyższy tę ludzką lub nadać sobie takie cechy jak ognioodporna skóra? O ile będziemy mogli wydłużyć ludzkie życie, drukując i wymieniając nasze organy? A także - kto i co będzie mieć dostęp