Pankaj Karande on edistynyt askel askeleelta luodessaan ihosiirteitä, jotka ovat paljon lähempänä sitä, mitä ihmiskeho itse tuottaa, ja jotka todennäköisemmin integroituvat ja hyväksytään potilaan kehossa.
Tissue Engineering -lehdessä julkaistussa artikkelissa käsitellyssä viimeisimmässä kehityksessä Rensselaer Polytechnic Instituten kemiallisen ja biologisen tekniikan apulaisprofessori Karande ja hänen Rensselaer-laboratorionsa tiimi ovat yhteistyössä Yalen lääketieteellisen tiedekunnan kanssa kehittäneet tavan käyttää 3D-tulostusta verisuonten sisällyttämiseksi tuottamaansa elävään ihoon. ”Se oli suuri läpimurto”, Karande sanoi.
Ihon biotulostus
Verisuonet ovat kriittisiä, jotta biotulostettu iho säilyisi hengissä. Kuva: Rensselaer Polytechnic Institute Viime vuosikymmenen aikana 3D-bioprinttaus on itse asiassa ollut pääosassa ihotekniikan edistämisessä. Karande julkaisi yhden alan ensimmäisistä julkaisuista, jossa osoitettiin, että tutkijat pystyivät valmistamaan biomustetta kahdentyyppisistä elävistä ihmissoluista ja käyttämään 3D-tulostinta ihon kaltaisen rakenteen tuottamiseen. Perinteinen menettely ihon valmistamiseksi oli ottaa soluja, sekoittaa ne kollageenin kanssa ja levittää ne ohuiksi kerroksiksi.
”Sitä voisi verrata hillon levittämiseen leivän päälle kerroksittain”, hän sanoi ja lisäsi, että manuaalisesti sitä on hyvin vaikea tehdä, koska kyse on kymmenistä tai sadoista mikrometreistä, joiden on oltava lähellä toisia soluja normaalin vuorovaikutuksen aikaansaamiseksi.
Mahdollisesti pidät myös: Artificial and 3D-Printed Skin Advances for Robots, Humans
3D-tulostus on mahdollistanut solujen tarkan sijoittelun ja järjestelyn kolmessa ulottuvuudessa hyvin pienessä mittakaavassa – tämä materiaali voi olla 10 kertaa ohuempi kuin ihmisen hius. ”Tämä on ollut suuri edistysaskel, jonka 3D-tulostus on mahdollistanut pehmytkudostekniikassa”, Karande sanoi.
Vaikka tämä olikin ”suuri edistysaskel”, muutama vuosi sitten työryhmä tajusi, että verisuonet ovat hyvin kriittisiä, jotta siirteet selviytyisivät potilailla. Tuohon aikaan tehtiin paljon työtä endoteelisolujen ja muiden solujen yhdistämiseksi, jotta verisuonia voitaisiin yrittää muodostaa, mutta käytettävissä olevat menetelmät eivät toimineet.
Verisuonten muodostaminen
Karanden tiimi päätti kokeilla verisuonten muodostamisessa auttavien solujen laittamista ympäristöön, jossa ”solut ovat tyytyväisiä, niin että ne lisääntyvät, kasvavat ja alkavat muodostaa verisuonia.”
Viimeinen testi oli: Kun se laitetaan luuhun, yhdistyykö verisuoni todella isännän verisuoniin? ”Laboratoriossa voimme pitää siirteen hengissä antamalla sille ravinteita, mutta kun laitamme sen luuhun, se tarvitsee ravinteita isännältä”, Karande sanoi.
Learn More About: Researchers 3D Print on Skin for Breakthrough Applications
Rensselaerin tiimin tulostama iho siirrettiin Yalen tiimin toimesta erityiseen hiirityyppiin. Pian iho alkoi kommunikoida ja olla yhteydessä hiiren omiin verisuoniin. ”Integroituminen haavaan, verisuonten kehittyminen, yhteydet isännän verisuoniin, kudoksen kypsyminen haavassa oli meille suuri edistysaskel”, hän sanoi ja selitti prosessia lyhyellä videolla.
Karande sanoi, että suurin haaste oli itse asiassa järjestelmän optimointi kokonaisuutena sen jälkeen, kun vaiheet oli optimoitu matkan varrella. Kaikki oli yhtä tärkeää:
”Jokainen näistä vaiheista vaati paljon kokeiluja.” Kaikki nämä vaiheet vaativat paljon kokeiluja. Edistyminen oli siis vaiheittaista jokaisessa vaiheessa, mutta kun kaikki nämä vaiheet lasketaan yhteen, saadaan suuri edistysaskel”, hän sanoi.”
CRISPR paremman ihonsiirteen luomiseksi
Seuraavana isona askeleena on pyrkiä kohti universaalia esivalmistettua siirrännäistä, jota minkään potilaan immuunijärjestelmä ei hylkää. Siirteen räätälöinti kullekin yksilölle heidän omien solujensa avulla voisi viedä viikkoja tai jopa pidempään – aikaa, jota useimmilla siirtoa tarvitsevilla potilailla ei ole.
Yleismaailmallisen siirteen luomiseksi tutkijat valmistautuvat työskentelemään CRISPR:n avulla, joka on kehittynyt geeninmuokkaustekniikka. He kytkevät pois päältä ne merkkiaineet siirteen soluissa, jotka kertovat elimistölle, että siirto on vieras esine, joka pitäisi hylätä.
Toimittajien valinta: 3D-biotulostin tulostaa tervettä ihoa potilaille muutamassa minuutissa
Lisäksi tarvitaan vielä pitkäaikaista testausta. Lyhyellä aikavälillä siirteen toivotaan helpottavan haavan paranemista ja tarjoavan suojaa toimimalla luonnollisena esteenä. Ajan myötä elimistön omat solut ottavat ohjat käsiinsä ja täyttävät paikan uudelleen omilla soluillaan. Tyypillisesti ihmisen iho uusiutuu 30 päivän välein.
Kun ensimmäiset vaiheet elävien ihosiirrännäisten luomisessa ovat onnistuneet, biotekniikan insinöörit valmistautuvat luomaan CRISPR:n avulla universaalin siirteen. Kuva: Rensselaer Polytechnic Institute Nykyisin kaikenlaisten ihovammojen hoitotoimenpiteet, erityisesti kun kyseessä ovat pienet ihopalat – kuten painehaavat, diabeetikot tai ampuma-aseiden uhrit – edellyttävät ihon keräämistä toisesta kehon kohdasta ja sen siirtämistä. Näin syntyy toinen haava, joka on hoidettava.
Markkinoilla on muutamia kliinisiä tuotteita, jotka sisältävät joitakin kasvutekijöitä, mutta ne ovat lähinnä sitä, mitä Karande kutsuu ”hienoiksi laastareiksi”, koska ne estävät haavan altistumisen ympäristölle. Ilman verta ja ravinteita siirteessä se lopulta putoaa pois.
Palovammapotilaiden kohdalla on tehtävä vielä enemmän työtä menetettyjen hermo- ja verisuonipäätteiden hoitamiseksi.
”Insinööreinä, jotka työskentelevät biologian luomisen parissa, olemme aina arvostaneet ja tiedostaneet sen tosiasian, että biologia on paljon monimutkaisempi kuin yksinkertaiset systeemit, joita valmistamme laboratoriossa”, Karande sanoi. ”Olimme iloisesti yllättyneitä huomatessamme, että kun alamme lähestyä tätä monimutkaisuutta, biologia ottaa ohjat käsiimme ja alkaa olla yhä lähempänä sitä, mitä luonnossa on.”
Nancy S. Giges on New Yorkissa työskentelevä teknologiakirjailija.
Rekisteröidy tänään AM Medicaliin: 27.-28. toukokuuta 2020 Minneapolisissa, MN:ssä.