Krok po kroku, Pankaj Karande poczynił stały postęp w tworzeniu przeszczepów skóry, które są znacznie bliższe temu, co produkuje samo ludzkie ciało i bardziej prawdopodobne, że zostaną zintegrowane i zaakceptowane przez organizm pacjenta.
W najnowszym osiągnięciu, omówionym w artykule w Tissue Engineering, Karande, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i biologicznej w Rensselaer Polytechnic Institute, oraz zespół z jego laboratorium w Rensselaer, współpracujący z Yale School of Medicine, opracowali sposób wykorzystania druku 3D do włączenia naczyń krwionośnych do produkowanej przez siebie żywej skóry. „To był wielki przełom” – powiedział Karande.
Bioprinting skóry
Naczynia krwionośne są krytyczne, aby bioprintowana skóra mogła przetrwać. fot: Rensselaer Polytechnic Institute W ciągu ostatniej dekady, bioprinting 3D rzeczywiście odegrał główną rolę w postępie w dziedzinie inżynierii skóry. Karande opublikował jedną z pierwszych prac w tej dziedzinie, w której wykazał, że naukowcy mogą stworzyć bio-ink z dwóch rodzajów żywych ludzkich komórek i użyć drukarki 3D do wytworzenia struktury przypominającej skórę. Tradycyjna procedura wytwarzania skóry polegała na pobraniu komórek, zmieszaniu ich z kolagenem i rozprowadzeniu w cienkich warstwach.
„Można to porównać do warstwowego rozprowadzania dżemu na kawałku chleba” – powiedział, dodając, że bardzo trudno jest to zrobić ręcznie, ponieważ pracuje się z dziesiątkami lub setkami mikronów, które muszą znajdować się blisko innych komórek, aby zachodziła normalna interakcja.
Możesz również polubić: Artificial and 3D-Printed Skin Advances for Robots, Humans
Druk 3D pozwolił na precyzyjne umieszczenie i ułożenie komórek w trzech wymiarach na bardzo małą skalę – materiał, który może być 10 razy cieńszy niż ludzki włos. „To był wielki postęp, jaki druk 3D umożliwił w inżynierii tkanek miękkich,” powiedział Karande.
Mimo, że był to „wielki postęp”, kilka lat temu zespół zdał sobie sprawę, że aby przeszczepy przetrwały u pacjentów, naczynia krwionośne są bardzo ważne. W tym czasie dużo pracy włożono w połączenie komórek śródbłonka i innych komórek, aby spróbować utworzyć naczynia krwionośne, ale dostępne metody nie działały.
Wszczepianie naczyń krwionośnych
Zespół Karande postanowił spróbować umieścić komórki, które pomagają tworzyć naczynia krwionośne w środowisku, w którym „komórki są szczęśliwe, tak aby się rozmnażały, rosły i zaczęły tworzyć naczynie krwionośne.”
Ostatnim testem było: Po umieszczeniu na kości, czy naczynie krwionośne rzeczywiście łączy się z naczyniem krwionośnym gospodarza? „W laboratorium możemy utrzymać przeszczep przy życiu, podając mu składniki odżywcze, ale kiedy umieścimy go na kości, potrzebuje on składników odżywczych od gospodarza,” powiedział Karande.
Learn More About: Researchers 3D Print on Skin for Breakthrough Applications
Wydrukowana przez zespół z Rensselaer skóra została przeszczepiona na specjalny rodzaj myszy przez zespół z Yale. Wkrótce skóra zaczęła komunikować się i łączyć z naczyniami krwionośnymi myszy. „Integracja z raną, rozwój naczyń krwionośnych, połączenia z naczyniami gospodarza, dojrzewanie tkanki w ranie było dla nas dużym krokiem naprzód”, powiedział, wyjaśniając proces w krótkim filmie.
Karande powiedział, że największym wyzwaniem było tak naprawdę zoptymalizowanie systemu jako całości po zoptymalizowaniu kroków po drodze. Wszystko było równie ważne: Od pobierania komórek od pacjentów do ich izolowania, utrzymywania ich właściwości biologicznych, a następnie uzyskiwania wszystkich tych składników, aby rosły do odpowiedniej liczby komórek i gęstości komórek w celu wytworzenia nowych składników, następnie utrzymywania przeszczepu przy życiu, upewniania się, że jest on sterylny, zaszywania go na ranie zwierzęcia i jeszcze więcej.
„Każdy z tych etapów wymagał wielu prób. Był to więc przyrostowy postęp na każdym kroku, ale kiedy zsumujesz wszystkie te kroki, masz duży postęp”, powiedział.
CRISPR for a Better Skin Graft
Następnym dużym krokiem będzie praca w kierunku uniwersalnego prefabrykowanego przeszczepu, który nie zostanie odrzucony przez układ odpornościowy żadnego pacjenta. Dostosowanie przeszczepu do potrzeb każdego pacjenta przy użyciu jego własnych pobranych komórek mogłoby zająć tygodnie lub nawet więcej czasu, którego większość pacjentów potrzebujących przeszczepu nie ma.
Aby stworzyć uniwersalny przeszczep, naukowcy przygotowują się do pracy z CRISPR, wyrafinowaną technologią edycji genów. Wyłączą te markery w komórkach przeszczepu, które mówią ciału, że przeszczep jest obcym obiektem i powinien zostać odrzucony.
Editors’ Pick: 3D Bioprinter Prints Healthy Skin onto Patients in Minutes
Dodatkowo, długoterminowe testy wciąż muszą mieć miejsce. Mamy nadzieję, że w krótkim okresie przeszczep ułatwi gojenie się ran i zapewni ochronę, służąc jako naturalna bariera. Następnie, z czasem, własne komórki organizmu przejmą kontrolę i ponownie zasiedlą to miejsce swoimi własnymi komórkami. Zazwyczaj ludzka skóra regeneruje się co 30 dni.
Po udanych pierwszych krokach w tworzeniu żywych przeszczepów skóry, bioinżynierowie przygotowują się do stworzenia uniwersalnego przeszczepu przy użyciu CRISPR. fot: Rensselaer Polytechnic Institute Obecnie interwencje terapeutyczne w leczeniu wszelkiego rodzaju urazów skóry, zwłaszcza gdy małe kawałki skóry są dotknięte – takie jak owrzodzenia ciśnieniowe, pacjenci z cukrzycą lub ofiary broni – wymagają pobrania skóry z innego miejsca na ciele i przeszczepienia jej. W ten sposób powstaje kolejna rana, którą trzeba się zająć.
Na rynku jest kilka produktów klinicznych, które zawierają czynniki wzrostu, ale są one zasadniczo tym, co Karande nazywa „wymyślnymi bandażami”, ponieważ zapobiegają ekspozycji rany na środowisko. Bez krwi i substancji odżywczych w przeszczepie, w końcu odpadnie.
W przypadku pacjentów z oparzeniami, trzeba wykonać jeszcze więcej pracy, aby poradzić sobie z utraconymi zakończeniami nerwowymi i naczyniowymi.
„Jako inżynierowie pracujący nad odtworzeniem biologii, zawsze docenialiśmy i byliśmy świadomi faktu, że biologia jest o wiele bardziej złożona niż proste systemy, które tworzymy w laboratorium,” powiedział Karande. „Byliśmy mile zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że kiedy zaczynamy zbliżać się do tej złożoności, biologia przejmuje kontrolę i zaczyna coraz bardziej zbliżać się do tego, co istnieje w naturze.”
Nancy S. Giges jest pisarką technologiczną z siedzibą w Nowym Jorku.
Register Today for AM Medical: 27-28 maja 2020 r. w Minneapolis, MN