Tkáňové inženýrství se právě stalo ještě divočejším a podivnějším.

Vědci dokázali pomocí světla a biologického inkoustu vytisknout přímo pod kůži myší strukturu podobnou lidskému uchu. Tým použil zdravé ucho jako šablonu a vytiskl 3D tiskárnou zrcadlový obraz tohoto ucha – vrstvu po vrstvě – přímo na hřbet myši.

A to vše bez jediného chirurgického řezu.

Pokud si říkáte, že je to super strašidelné, ano… jsem s vámi. Jako důkaz konceptu však tým ukazuje, že je možné vytvořit nebo obnovit vrstvy tkáně, dokonce i tak složité, jako je ucho, bez nutnosti chirurgického implantátu. To znamená, že by jednoho dne mohlo být možné opravit ucho nebo jiné povrchové defekty tkání – buď genetické, nebo vzniklé v důsledku zranění – přímo v místě poranění v podstatě mávnutím sofistikované světelné hůlky.

Tato technologie, (dlouhý nádech), 3D bioprinting založený na digitálním zpracování světla (DLP), si za posledních deset let získala díky své univerzálnosti spoustu pozornosti. Základní myšlenka spočívá v tom, že se do poraněné tkáně vstříkne bioink obsahující buňky a poté se neinvazivně prosvítí vzory světla, které „aktivují“ buňky v bioinku. V závislosti na typu buněk pak mohou opravit poškozenou míchu, nervová vlákna nebo cévy.

V této studii, publikované minulý týden v časopise Science Advances, tým tuto techniku posunul o krok dál. Pomocí počítačem podporovaného designu navrhli několik tvarů a data vložili do digitálního mikrozrcadlového zařízení – něco jako kříženec mezi opravdu efektním objektivem fotoaparátu a malým domečkem zrcadel.

Zařízení pak dynamicky generuje infračervené paprsky, které pronikají tkání a „staví“ strukturu živé tkáně. Během 20 sekund byl tým schopen na živé myši vygenerovat základní tvar lidského ucha, přičemž tvar podobný uchu si zachoval svou sofistikovanou strukturu po dobu nejméně jednoho měsíce.

Autoři uvedli, že jejich práce ukazuje, že je možné provádět neinvazivní 3D tisk přímo v těle a že to může „otevřít novou cestu pro lékařský 3D tisk a posunout minimálně invazivní nebo neinvazivní medicínu.“

Chirurgické potíže

Jednou z největších překážek v 3D tkáňovém inženýrství není technologie. Spíše je to nutnost chirurgického zákroku.

Většina současných prototypů bioprintovaných tkání se vytváří v laboratoři, kde si vědci mohou udržet složitější kontrolu nad tím, jak tkáň roste. Například plíce obvykle začínají s darovaným vzorkem plic, jehož buňky se vymyjí pomocí detergentu a poté se znovu osídlí novými dárcovskými buňkami. Jiné inovativní přístupy používají jablka jako lešení pro uši nebo přidávají antibiotika a další léky přímo dovnitř 3D vytištěných kostí, aby pomohly v boji proti zánětu.

Problémem těchto přístupů, píší autoři, je, že nakonec vyžadují operaci. Tkáň musí být odebrána a chirurgicky vložena do poraněného místa, což zase vytváří další poškození implantátu a okolních tkání. Důsledky sahají od dlouhého pobytu v nemocnici přes opakované operace až po odstranění implantátu, nemluvě o bolesti.

Tyto konvenční nevýhody jsou částečně důvodem, proč tisk tkání na bázi světla zaujal svět bioinženýrství. Když mohou určité světelné vlny proniknout kůží, proč nepoužít světlo k přímé aktivaci buněk bioinku k vybudování struktury tkáně zevnitř?“

Magická světelná hůlka

Aby světlo mohlo vybudovat tkáň, musí splnit dva náročné požadavky: za prvé, proniknout tkání. Za druhé, polymerizovat neboli „aktivovat“ buňky bioinku a podpůrnou matrici, aby se začaly samy skládat do struktur.

„Obvykle se k podpoře bioprintingu využívá ultrafialové nebo modré světlo… slabá schopnost pronikání do tkáně,“ vysvětlil tým. Navíc ultrafialové světlo může také způsobit poškození – „spálení od slunce“, chcete-li – vznikající a okolní tkáně.

Naproti tomu blízké infračervené světlo neboli NIR může aktivovat bioink a prosvítit hluboko do tkání. Protože různé prostorové vzory světla lze vyladit tak, aby aktivovaly bioink různě, a to jak v rámci vrstvy, tak mezi vrstvami, rozhodl se tým pohrát si se světlem spouštěným bioprintem.

Nejprve zkonstruovali „nanoiniciátor“, což je módní název pro chemickou látku, která svítí vzorovaným světlem na nosný materiál – často hydrogel – a zesíťuje ho do pevných struktur. Poté pomocí počítače navrhli několik tvarů a data poslali do počítačového čipu, který řídil projekci světla. Několik vzorů NIR světla pak bylo promítnuto přes čočku do různých tkání napuštěných bioinkem, který obsahoval nanoiniciátor i buňky. Tým se pak posadil a sledoval, jak jejich návrhy doslova ožívají.

Při prvním testu se jim za pouhých 15 sekund podařilo vytisknout jednu vrstvu struktur podobných skořápkám mimo tělo. Poté zvýšili své ambice a vytiskli nejrůznější tvary – třívrstvý dort, perníkového panáčka (bez legrace), mořskou hvězdici a architekturu připomínající dětskou židličku.

Tisk v těle

Poté se pustili do velké hry: bioprint přímo v těle.

Je to o dost obtížnější, protože hladina kyslíku v živém organismu může potlačit efekt zesíťování, což znamená, že inkoust se nemůže stát pevnou strukturou, vysvětlil tým.

Tým však narazil na vítězný recept. Po týdnu bioprintování několika tvarů na hřbety živých myší zjistili, že jak nová tkáň, tak okolní tkáň jsou ušetřeny zánětů a dalších defektů.

Pokračovali dále, do svého systému zadali obraz zdravého lidského ucha a vytvořili jeho zrcadlový obraz. Poté vstříkli myším do zad bioink obsahující chondrocyty – typ buněk, které tvoří strukturu chrupavky ucha – a na bioink posvítili NIR světlem, které kóduje „osobní tvar ucha“. Během půl minuty ucho získalo svůj tvar. Během měsíce si vytištěné ucho začalo budovat vlastní podpůrné struktury, aby si dále udrželo svůj tvar.

Lepší způsob léčení?

Vytváření nové tkáně není to jediné, co tato technologie dokáže. V další studii tým zjistil, že stejný přístup dokáže hojit i těžká zranění.

Zranění jsou často způsobena rozdrcením nebo jiným úrazem, vysvětlil tým. Předchozí studie zjistily, že kmenové buňky získané z tuku mohou pomoci regenerovat tkáně. Tým vytiskl scaffold obsahující tyto buňky do myší, které utrpěly svalové poranění, a posvítil si, aby aktivoval vytištěnou tkáň. Během 10 dnů se u myší „výrazně uzavřela rána“ ve srovnání s kontrolní skupinou, uvedli autoři.

Složení všeho dohromady: Je to poprvé, kdy se vědcům podařilo regenerovat tkáň uvnitř těla a zároveň podpořit hojení ran, aniž by bylo nutné provést chirurgický zákrok. Od „vybudování lidského ucha na hřbetě myši“ k „regeneraci poraněného ucha“ je samozřejmě ještě dlouhá cesta, ale jako důkaz konceptu studie ukazuje, že je to možné.

Protože světlo nemůže proniknout příliš hluboko do těla, existuje také omezení, že tuto technologii lze použít pouze pro tkáně na povrchu. Je také záhadou, zda do vytištěného ucha pronikne vlastní oběhový systém myší, který mu poskytne živiny pro dlouhodobé přežití. Prozatím bioinženýrsky vytvořené ucho necítí – přidání nervového systému a jeho napojení na hlavního hostitele stále zůstává velkou výzvou.

Budoucnost však vypadá jasně. „Bez chirurgické implantace byly v těle úspěšně vytvořeny konstrukty živé tkáně na míru. Tato práce by otevřela novou cestu pro výzkum 3D tisku a posunula by oblast neinvazivní medicíny,“ uzavřeli autoři.

Obrázek: Světlem spouštěný 3D bioprinting, autor: profesor Maling Gou, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University

Leave a comment

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.