Trin for trin har Pankaj Karande gjort stadige fremskridt med at skabe hudtransplantater, der er meget tættere på det, som den menneskelige krop selv producerer, og som er mere tilbøjelige til at blive integreret og accepteret af patientens krop.
I den seneste udvikling, der er omtalt i en artikel i Tissue Engineering, har Karande, der er lektor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Rensselaer Polytechnic Institute, og holdet i hans laboratorium på Rensselaer i samarbejde med Yale School of Medicine udviklet en måde at bruge 3D-print til at inkorporere blodkar i den levende hud, som de producerer. “Det var et stort gennembrud”, sagde Karande.
Hudbioprinting
Blodkar er afgørende for, at bioprintet hud kan overleve. Foto: Rensselaer Polytechnic Institute I løbet af det seneste årti har 3D-bioprinting spillet en hovedrolle i at fremme feltet for hudteknik. Karande offentliggjorde en af de første artikler på området, der viste, at forskere kunne fremstille en bio-ink fra to typer levende menneskelige celler og bruge en 3D-printer til at fremstille en hudlignende struktur. Den traditionelle procedure for at lave hud var at tage celler, blande dem op med kollagen og sprede dem i tynde lag.
“Man kan sammenligne det med at sprede marmelade på et stykke brød i lag”, sagde han og tilføjede, at det er meget svært at gøre det manuelt, fordi man arbejder med titusinder eller hundreder af mikrometer, der skal være tæt på de andre celler for at sikre normal interaktion.
Du kan også lide: 3D-printet hud fremskridt for robotter, mennesker
3D-printing har gjort det muligt at placere og arrangere cellerne præcist i tre dimensioner i en meget lille skala – dette materiale, der kan være 10 gange tyndere end et menneskehår. “Det har været det store fremskridt, som 3D-printing har muliggjort inden for soft tissue engineering”, sagde Karande.
Selv om dette var et “stort fremskridt”, indså holdet for et par år siden, at for at transplantationerne kan overleve på patienterne, er blodkar meget kritiske. På det tidspunkt blev der arbejdet meget med at kombinere endothelceller og andre celler for at forsøge at danne blodkar, men de tilgængelige metoder fungerede ikke.
Inkorporering af blodkar
Karandes hold besluttede at forsøge at sætte celler, der hjælper med at danne blodkar, i et miljø, hvor “cellerne er glade, så de formerer sig, vokser og begynder at danne blodkarret.”
Den ultimative test var: Når de blev anbragt på en knogle, blev blodkarret så rent faktisk forbundet med værtens blodkar? “I laboratoriet kan vi holde transplantatet i live ved at give det næringsstoffer, men når vi sætter det på knoglen, skal det have sine næringsstoffer fra værten,” sagde Karande.
Læs mere om: Forskere 3D-printer på hud til banebrydende anvendelser
Huden, som Rensselaer-holdet printede, blev transplanteret på en særlig type mus af Yale-holdet. Snart begyndte huden at kommunikere og forbinde sig med musens egne kar. “Integrationen med såret, udviklingen af blodkarret, forbindelserne med værtskarrene, modningen af vævet i såret var for os et stort skridt fremad,” sagde han og forklarede processen i en kort video.
Karande sagde, at den største udfordring faktisk var at optimere systemet som helhed efter optimering af trin undervejs. Alt var lige vigtigt: Fra at høste celler fra patienter til at isolere dem, få dem til at bevare deres biologiske egenskaber og derefter få alle disse komponenter til at vokse til et pænt antal celler og celletæthed for at lave nye komponenter, derefter holde transplantatet i live, sørge for, at det er sterilt, sy det på et dyrs sår og endnu mere.
“Hvert af disse trin krævede en masse forsøg. Så det var gradvise fremskridt på hvert enkelt trin, men når man lægger alle disse trin sammen, har man et stort fremskridt,” sagde han.
CRISPR til et bedre hudtransplantat
Det næste store skridt vil være at arbejde hen imod et universelt præfabrikeret transplantat, som ikke vil blive afvist af nogen patienters immunsystem. At tilpasse et transplantat til hver enkelt person ved hjælp af deres egne høstede celler kan tage uger eller endnu længere tid, som de fleste patienter, der har brug for et transplantat, ikke har.
For at skabe et universelt transplantat er forskerne i gang med at arbejde med CRISPR, en sofistikeret genredigeringsteknologi. De vil slukke for de markører i transplantatets celler, som fortæller kroppen, at transplantatet er et fremmedlegeme, der bør afvises.
Redaktørernes valg: 3D-bioprinter printer sund hud på patienter på få minutter
Der skal desuden stadig finde langtidstest sted. Håbet er, at transplantatet på kort sigt vil lette sårheling og yde beskyttelse ved at fungere som en naturlig barriere. Derefter vil kroppens egne celler med tiden tage over og genbefolke stedet med sine egne celler. Typisk regenererer menneskelig hud sig hver 30. dag.
Efter vellykkede første skridt med hensyn til at skabe levende hudtransplantater forbereder bioingeniørerne sig på at skabe et universelt transplantat ved hjælp af CRISPR. Foto: På nuværende tidspunkt indebærer terapeutiske indgreb til behandling af enhver form for hudskade, især når små stykker hud er berørt – f.eks. tryksår, diabetespatienter eller våbenofre – at man høster hud fra et andet sted på kroppen og transplanterer den. Dette skaber endnu et sår, som skal behandles.
Der findes nogle få kliniske produkter på markedet, som indeholder nogle vækstfaktorer, men de er i bund og grund det, som Karande kalder “smarte plaster”, fordi de forhindrer sårets eksponering for miljøet. Uden blod og næringsstoffer i transplantatet vil det til sidst falde af.
For brandsårspatienter er der stadig mere arbejde at gøre for at håndtere de tabte nerve- og karender.
“Som ingeniører, der arbejder på at genskabe biologi, har vi altid værdsat og været opmærksomme på, at biologi er langt mere kompleks end de simple systemer, vi laver i laboratoriet,” siger Karande. “Vi blev glædeligt overrasket over at opdage, at når vi begynder at nærme os denne kompleksitet, tager biologien over og begynder at komme tættere og tættere på det, der findes i naturen.”
Nancy S. Giges er en teknologisk skribent baseret i New York.
Register Today for AM Medical: 27-28. maj 2020 i Minneapolis, MN