Steg för steg har Pankaj Karande gjort stadiga framsteg när det gäller att skapa hudtransplantat som ligger mycket närmare det som människokroppen själv producerar och som med större sannolikhet kommer att integreras och accepteras av patientens kropp.
I den senaste utvecklingen som diskuteras i en artikel i Tissue Engineering har Karande, docent i kemisk och biologisk teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute, och teamet i hans labb vid Rensselaer, i samarbete med Yale School of Medicine, utvecklat ett sätt att använda 3D-utskrift för att införliva blodkärl i den levande hud de producerar. ”Det var ett stort genombrott”, säger Karande.
Bioprinting av hud
Blodkärl är avgörande för att bioprintad hud ska överleva. Foto: Rensselaer Polytechnic Institute Under det senaste decenniet har 3D-bioprinting faktiskt spelat en huvudroll för att främja fältet för hudteknik. Karande publicerade en av de första artiklarna på området som visade att forskare kunde göra en biotryck från två typer av levande mänskliga celler och använda en 3D-skrivare för att producera en hudliknande struktur. Det traditionella förfarandet för att göra hud var att ta celler, blanda dem med kollagen och sprida ut dem i tunna lager.
”Man kan likna det vid att sprida ut sylt på en brödbit i lager”, säger han och tillägger att det är mycket svårt att göra det manuellt, eftersom man arbetar med tiotals eller hundratals mikrometer som måste vara nära de andra cellerna för att det ska kunna ske en normal interaktion.
Du kanske också gillar: 3D-utskrift har möjliggjort exakt placering och arrangemang av cellerna i tre dimensioner i en mycket liten skala – detta material som kan vara 10 gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå. ”Det har varit det stora framsteg som 3D-utskrift har möjliggjort inom mjukvävnadsteknik”, säger Karande.
Men även om detta var ett ”stort framsteg” insåg teamet för några år sedan att blodkärlen är mycket viktiga för att transplantaten ska överleva på patienterna. Vid den tiden arbetade man mycket med att kombinera endotelceller och andra celler för att försöka bilda blodkärl, men de tillgängliga metoderna fungerade inte.
Inkorporering av blodkärl
Karandes team bestämde sig för att försöka placera celler, som hjälper till att bilda blodkärl, i en miljö där ”cellerna är lyckliga, så att de förökar sig, växer och börjar bilda blodkärl”.
Det ultimata testet var: När de sattes på ett ben, ansluter blodkärlet verkligen till värdens blodkärl? ”I labbet kan vi hålla transplantatet vid liv genom att ge det näring, men när vi sätter det på benet behöver det sin näring från värden”, säger Karande.
Lär dig mer om: Forskare 3D-printar hud för banbrytande tillämpningar
Den hud som Rensselaer-teamet skrev ut transplanterades på en speciell typ av mus av Yale-teamet. Snart började huden kommunicera och ansluta sig till musens egna kärl. ”Integrationen med såret, utvecklingen av blodkärlet, förbindelserna med värdkärlen, mognaden av vävnaden i såret var för oss ett stort steg framåt”, sade han och förklarade processen i en kort video.
Karande sade att den största utmaningen faktiskt var att optimera systemet som helhet efter att ha optimerat stegen längs vägen. Allt var lika viktigt: Från att skörda celler från patienter till att isolera dem, få dem att behålla sina biologiska egenskaper och sedan få alla dessa komponenter att växa till ett bra antal celler och celltäthet för att göra nya komponenter, sedan hålla transplantatet vid liv, se till att det är sterilt, sy det på ett djurs sår och ännu mer.
”Var och en av dessa steg krävde en hel del tester. Så det var stegvisa framsteg i varje steg, men när man lägger ihop alla dessa steg har man ett stort framsteg”, sade han.
CRISPR för ett bättre hudtransplantat
Nästa stora steg kommer att vara att arbeta för att få fram ett universellt prefabricerat transplantat som inte kommer att stötas bort av patientens immunsystem. Att skräddarsy ett transplantat för varje individ med hjälp av deras egna skördade celler kan ta veckor eller till och med längre tid som de flesta patienter som behöver ett transplantat inte har.
För att skapa ett universellt transplantat är forskarna beredda att arbeta med CRISPR, en sofistikerad teknik för genredigering. De kommer att stänga av dessa markörer i transplantatets celler, som talar om för kroppen att transplantatet är ett främmande föremål som bör avvisas.
Redaktörernas val: 3D-bioprinter skriver ut frisk hud på patienter på några minuter
Det behövs fortfarande långtidstester. Förhoppningen är att transplantatet på kort sikt ska underlätta sårläkning och ge skydd genom att fungera som en naturlig barriär. Sedan, med tiden, kommer kroppens egna celler att ta över och återbefolka platsen med sina egna celler. Typiskt sett förnyas mänsklig hud var 30:e dag.
Efter framgångsrika första steg för att skapa levande hudtransplantat förbereder bioingenjörerna sig för att skapa ett universellt transplantat med hjälp av CRISPR. Foto: Rensselaer Polytechnic Institute För närvarande innebär terapeutiska ingrepp för att behandla alla typer av hudskador, särskilt när små hudbitar påverkas – t.ex. trycksår, diabetespatienter eller pistoloffer – att man skördar hud från en annan plats på kroppen och transplanterar den. Detta skapar ytterligare ett sår som måste behandlas.
Det finns några kliniska produkter på marknaden som innehåller vissa tillväxtfaktorer, men de är i huvudsak vad Karande kallar ”tjusiga plåster”, eftersom de förhindrar att såret exponeras för miljön. Utan blod och näringsämnen i transplantatet kommer det så småningom att falla av.
För brännskadepatienter måste ännu mer arbete göras för att ta hand om de förlorade nerv- och kärländarna.
”Som ingenjörer som arbetar med att återskapa biologi har vi alltid uppskattat och varit medvetna om det faktum att biologi är mycket mer komplext än de enkla system som vi tillverkar i laboratoriet”, säger Karande. ”Vi blev glatt överraskade av att upptäcka att när vi börjar närma oss denna komplexitet tar biologin över och börjar komma allt närmare det som finns i naturen.”
Nancy S. Giges är en teknikskribent baserad i New York.
Registrera dig idag för AM Medical: 27-28 maj 2020 i Minneapolis, MN