Επαναστατικός 3D βιοεκτυπωτής εκτυπώνει ανθρώπινους ιστούς «κατ’εικόνα και καθ’ομοίωσιν»

Ειδικοί στη βιοϊατρική μηχανική από το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα τρισδιάστατης εκτύπωσης το οποίο μπορεί να εκτυπώσει ανθρώπινους ιστούς «κατ’εικόνα και καθ’ομοίωσιν» των πραγματικών – από τον μαλακό ιστό του εγκεφάλου ως πιο σκληρούς ιστούς όπως αυτοί του χόνδρου και των οστών.

Προς ανάπτυξη αποτελεσματικότερων, «ηθικότερων» θεραπειών

Η πρωτοποριακή αυτή τεχνολογία προσφέρει στους ερευνητές που μελετούν πολλές νόσους και κυρίως τον καρκίνο ένα εξελιγμένο εργαλείο για τη δημιουργία στο εργαστήριο οργάνων και ιστών κατά παραγγελία, γεγονός που αναμένεται να οδηγήσει σε ανάπτυξη νέων αποτελεσματικότερων φαρμακευτικών θεραπειών οι οποίες θα είναι και πιο «ηθικές» αφού θα μειώνουν την ανάγκη πειραμάτων σε ζώα.

«Κλειδί» η σωστή χωροθέτηση των κυττάρων

Όπως ανέφερε ο επικεφαλής του Εργαστηρίου Collins BioMicrosystems στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, αναπληρωτής καθηγητής Ντέιβιντ Κόλινς που ηγήθηκε της ομάδας η οποία ανέπτυξε τον βιοεκτυπωτή «η προσέγγισή μας εκτός του ότι βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα εκτύπωσης επιτρέπει τη σωστή χωροθέτηση των κυττάρων εντός των εκτυπωμένων δομών. Η λανθασμένη χωροθέτηση των κυττάρων είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο οι περισσότεροι 3D βιοεκτυπωτές αποτυγχάνουν να παράγουν δομές οι οποίες αποτελούν ακριβή αντίγραφα του ανθρώπινου ιστού».

«Δημιουργεί μια ζωτικής σημασίας γέφυρα μεταξύ της εργαστηριακής έρευνας και των κλινικών εφαρμογών».

Ο καθηγητής εξήγησε ότι «όπως ένα αυτοκίνητο χρειάζεται όλα τα μηχανικά μέρη του να βρίσκονται στη σωστή θέση για να λειτουργούν σωστά, έτσι και τα κύτταρα στους ιστούς μας πρέπει να είναι σωστά οργανωμένα. Οι υπάρχοντες τρισδιάστατοι βιοεκτυπωτές βασίζονται στη φυσική ευθυγράμμιση των κυττάρων χωρίς να υπάρχει καθοδήγηση,
γεγονός που συνδέεται με σημαντικούς περιορισμούς».

Η τεχνική των φυσαλίδων

Ωστόσο το σύστημα που ανέπτυξε ο δρ Κόλινς και οι συνεργάτες του χρησιμοποιεί ακουστικά κύματα τα οποία προκαλούνται από δονούμενες φυσαλίδες προκειμένου να τοποθετούνται τα κύτταρα εντός των τρισδιάστατων εκτυπωμένων δομών. «Η μέθοδος αυτή προσφέρει στα κύτταρα την απαραίτητη ώθηση ώστε να αναπτυχθούν στους πολύπλοκους ιστούς του ανθρώπινου σώματος» σημείωσε ο καθηγητής.

Οι περιορισμοί των υπαρχόντων βιοεκτυπωτών

Οι περισσότεροι 3D βιοεκτυπωτές που κυκλοφορούν στο εμπόριο βασίζονται σε μια προσέγγιση αργής εκτύπωσης του ιστού στρώμα-στρώμα. Ωστόσο η μέθοδος αυτή συνδέεται με περιορισμούς – απαιτούνται πολλές ώρες για να ολοκληρωθεί η εκτύπωση του κάθε ιστού, γεγονός που θέτει σε κίνδυνο τη βιωσιμότητα των ζώντων κυττάρων κατά τη διαδικασία της εκτύπωσης. Επιπροσθέτως μετά την εκτύπωση οι κυτταρικές δομές που προκύπτουν πρέπει να μεταφέρονται σε εργαστηριακά τρυβλία για ανάλυση και απεικόνιση – ένα ευαίσθητο βήμα που μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή των εύθραυστων δομών.

Παράδειγμα συμβατικού βιοεκτυπωτή. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε από την ρωσική 3D Bioprinting Solutions (Wikimedia Commons)

Η ερευνητική ομάδα από τη Μελβούρνη ξεπέρασε αυτά τα εμπόδια χάρη στο σύστημα που ανάπτυξε το οποίο καταργεί την ανάγκη τοποθέτησης των κυττάρων στρώμα-στρώμα. Συγκεκριμένα η καινοτόμος τεχνική βασίζεται σε δονούμενες φυσαλίδες οι οποίες οδηγούν σε τρισδιάστατη εκτύπωση κυτταρικών δομών μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα – περί τις 350 φορές ταχύτερα από τις παραδοσιακές μεθόδους.

Πιστά αντίγραφα

Παράλληλα οι κυτταρικές δομές που προκύπτουν αποτελούν πιστά αντίγραφα των ανθρώπινων ιστών. Μειώνοντας σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την τρισδιάστατη εκτύπωση και τυπώνοντας απευθείας επάνω στα τρυβλία Petri οι ερευνητές επέτυχαν να αυξήσουν σημαντικά τα ποσοστά επιβίωσης των κυττάρων εξασφαλίζοντας μάλιστα ότι οι εκτυπωμένες δομές παραμένουν ακέραιες και αποστειρωμένες καθ’όλη τη διαδικασία.

«Γέφυρα» μεταξύ έρευνας και κλινικής εφαρμογής

Όπως υπογράμμισε ο υποψήφιος διδάκτορας Κάλουμ Βίντλερ, πρώτος συγγραφέας της νέας μελέτης, η καινοτόμος τεχνολογία έχει ήδη γίνει δεκτή με ενθουσιασμό από τους ερευνητές του πεδίου της Ιατρικής. «Η τεχνολογία που αναπτύξαμε προσφέρει σημαντική ταχύτητα, ακρίβεια και σταθερότητα των κυτταρικών δομών. Αυτό δημιουργεί μια ζωτικής σημασίας γέφυρα μεταξύ της εργαστηριακής έρευνας και των κλινικών εφαρμογών».

Χρήση από σημαντικά ερευνητικά κέντρα

Ο ερευνητής κατέληξε τονίζοντας ότι η νέα επαναστατική μέθοδος χρησιμοποιείται ήδη με πολύ θετικά αποτελέσματα από περίπου 60 ερευνητές σημαντικών ερευνητικών ιδρυμάτων όπως το Κέντρο Peter MacCallum για τον Καρκίνο, η Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και το Κέντρο για τον Καρκίνο Sloan Kettering.