Ateities organų implantai: 3D spausdinimas ir mažiau kančių gyvūnams

Atsarginės žmogaus dalys jau sintetinamos laboratorijoje. Ragena tapo pirmuoju implantu, sėkmingai pakeitusiu originalą. Audinių inžinieriai kuria naujo tipo implantus iš biomimetinių medžiagų, kurias organizmas priima kaip savas.

Būdas patobulinti gamtą?

Manipuliacijos pavienėmis ląstelėmis, jų vidinių procesų pažinimas – būdas iš pradžių kuo geriau suprasti gamtą, paskui ją imituoti ir patobulinti.

„Pastaruosius kelis dešimtmečius kuriami implantai turi biologinio suderinamumo problemų. Implantavus kokį nors organą, kūnas jo nepriims. Kol kas daug organų auginimui naudojamų karkasų išskiriama iš gyvūnų. Kaip kolagenas. Tai irgi susiję su problemomis, nes gyvūnų kilmės medžiagos gali pernešti specifines gyvūnų ligas. Todėl yra didelė paklausa medžiagų, kurios galėtų imituoti natūralų arba sintetinį polimerą“, – LRT televizijos laidoje „Mokslo ekspresas“ sako dr. Jaywanas Phophase iš Linčiopingo universiteto.

Natūralus polimeras, pavyzdžiui, kolagenas yra mūsų kūno struktūrinis baltymas. Tai – tarsi karkasas, pritraukiantis ląsteles ir padedantis pažeistam organui atsikurti. Norėdami sukurti organizmui nekenkiančius karkasus, mokslininkai sintetina biomimetines medžiagas – sintetinės ir natūralios medžiagų derinius.

Kitas variantas – paimti svetimą organą, pašalinti jo ląsteles – atlikti deceliurizaciją, o paskui užsodinti paciento kamienines ląsteles ant kolageno karkaso. Bet tokiu būdu kol kas galima išauginti tik homogeniškas, nesudėtingas kūno dalis – trachėją arba nosį.

„Jeigu žmogui reikia persodinti širdį, mes negalime įdėti jam kiaulės širdies. Organizmas ją kaip mat atmes. Kita problema susijusi su deceliurizacija, apie kurią kalbate – kaip atsikratyti svetimo audinio ląstelėmis. Kol kas dar diskutuojama, kiek ląstelių turi likti. Ir jas sunaikinus, reikia tas ląsteles grąžinti. Galbūt iš to paties žmogaus. Išskyrus ląsteles, iš jų išsivysto reikiamos kolonijos ir tuomet jas reikia užsėti ant širdies kolageno karkaso. Tačiau kol kas nepavyksta užsluoksniuoti tų ląstelių, kad jos atkurtų sudėtingą širdies audinį“, – tvirtina J. Phophase.

Gali spausdinti ir gyvus organus

Įspūdingų rezultatų pasiekiama suderinus kelias skirtingas technologijas – kaip populiaresnį 3D spausdinimą. Pasirodo, tokiu spausdintuvu galima atsispausdinti ne tik įvairias detales, bet ir gyvus organus. Tarkime, ausį.

„Jūs turbūt girdėjote apie 3D spausdinimą, kai bandoma atspausdinti širdį. Esmė – kaip gauti tinkamą rašalą. Todėl mes ir mėginame sukurti tokius rašalus, kuriuos būtų galima naudoti audinių inžinerijos srityje, priklausomai nuo to, kokį organą reikia atspausdinti“, – priduria mokslininkas iš Linčiopingo universiteto.

Kuriamas ne tik rašalas, bet ir biomimetinės medžiagos, kurios, atsidūrusios organizme, turėtų sukelti ląstelių norą daugintis. Kitaip sakant, mokslininkų susintetintas baltymas, papildytas specialiomis funkcinėmis grupėmis, skatintų pažeistų audinių regeneraciją. Svarbu, kad toks svetimkūnis organizmo būtų pripažįstamas kaip savas, todėl pacientui nereiktų gerti imunitetą slopinančių vaistų. Ir tai jau pavyksta pasiekti.

„Visų pirma, mes kuriame medžiagas, kurios gali būti naudojamos vaistų ar kitų medžiagų testavimui. Paprastai tam naudojami gyvūnai. Antra, kuriame dirbtinius, sintetinius organus arba audinius, tokius kaip ragena, širdies regeneracija ir oda. Tačiau vėliau ketiname imtis ir kitų audinių“, – sako J. Phophase.

Biomimetiniai baltymai arba peptidai atlieka augimo faktorių vaidmenį. O jie padeda įvairiems odos sluoksniams (epidermiui ir dermiui) glaudžiai bendrauti. Šis komunikacijos sutrikimas yra viena iš svarbiausių senėjimo priežasčių. Dėl to mažėja kolageno sintezė, kaupiasi elastino skaidulų likučiai. Oda vysta, praranda stangrumą. Taigi šie eksperimentai padės ir norintiems atjaunėti.

„Kuriame medžiagas, panašias į sutinkamas gamtoje. Imame gamtines, natūralias medžiagas ir kuriame jų kopijas laboratorijoje“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja kita Linčiopingo universiteto mokslininkė prof. May Griffith.

Po ilgų bandymų – pirmoji sėkmė

Būtent ragena tapo pirmuoju žmogaus sukurtu biomimetiniu implantu, jau galinčiu pakeisti originalą. Ragena yra gyvybiškai svarbus akies komponentas. Ji kaip lęšis fokusuoja į akį patenkančią šviesą. Be to, apsaugo akį nuo infekcijų, įvairių svetimkūnių.

Deja, dėl įvairių priežasčių ragena gali būti pažeista, todėl pasaulyje milijonams žmonių gresia apakimas. Geriausias gydymo būdas – persodinti donoro rageną. Tačiau jų trūksta. Be to, po operacijos tenka vartoti imunitetą slopinančius vaistus.

„Chemiškai modifikuojame žmogaus kolageną ir paverčiame jį implantu. Pavyzdžiui, iš jo suformuojame ragenos formos ir dydžio implantą. Tai implantuojama pacientui. Kadangi kolagenas reaguoja su gyvais audiniais, paciento ląstelės pradeda prie implanto integruotis. Jeigu tokių ląstelių pacientas neturi, tuomet galima perkelti ląsteles iš kitos jo akies arba iš burnos gleivinės. Taikoma strategija priklauso nuo paciento būsenos“, – pasakoja Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus vadovas dr. Ramūnas Valiokas

Be abejo, sunkiausia buvo sukurti tokio pusiau sintetinio, aktyvaus kolageno gamybos receptą. Mokslininkai tam nenaudoja visos kolageno molekulės, nes ji labai ilga ir dėl to struktūriškai sunkiai valdoma.

Paimami trumpi kolageno fragmentai – peptidai, ir sumaišomi su plastiko tipo komponentais. Iš tokio bioplastiko dabar ir gaminami naujausios kartos ragenos implantai.

„Dauguma šiuo metu implantams naudojamos medžiagos nesukelia imuninio atsako, bet kartu jos yra ir neaktyvios. Paėmėme pavyzdį iš gamtos ir modifikuojame kolageną. Mūsų kūnuose dominuoja kolagenas ir vanduo. Tai labiausiai paplitusi medžiaga mūsų kūnuose. Naudojame rekombinantines šio baltymo versijas. Žmogaus kolageno genų sekas perkeliame į mielių ląsteles, jos sintetina žmogaus kolageną ir mes naudojame šį kolageną, modifikuodami jį chemiškai ir suformuodami implantuos“, – teigia M. Griffith.

Prieš keliolika metų daugiausia jėgų buvo skiriama sintetinei ragenai sukurti. Laimė, pačioje XX amžiaus pabaigoje M. Griffith grupė pademonstravo, jog įmanomas ir kitas, gamtą imituojantis biosintezinis kelias, pagalbon pasitelkus mielių ląsteles.

„Rekombinantinį žmogaus kolageną jau išbandėme su pacientais. Atmetimo reakcijos nepastebėjome, kadangi sekos pagrįstos žmogaus baltymo seka. Kūnas priima jį kaip žmogaus kolageną. Mes nenaudojame ląstelių iš išorės. Šios medžiagos kol kas implantuojamos saugiai, o prie jų prisikabinančios ląstelės yra paciento ląstelės. Taigi, nėra jokių svetimkūnių ir mes išvengiame imuninės atmetimo reakcijos“, – aiškina M. Griffith.

Tokia biosintetinė ragena prieš kelerius metus persodinta dešimčiai švedų pacientų. Po dvejų metų tyrėjai pastebėjo, jog į šią rageną įaugo organizmo ląstelės ir nervai. Taigi implantas buvo priimtas ir sėkmingai integruotas akyje, nenaudojant imunitetą slopinančių vaistų.

Be to, šios ragenos pradėjo išskirti ašaras, kurios aprūpina akį deguonimi. Šešių pacientų iš dešimties regėjimas iš esmės pagerėjo.

Audinių inžinerija Lietuvoje neatsilieka

Pasakojimą reiktų papildyti svarbia informacija apie tai, kaip ir kodėl susikirto Lietuvos mokslininkų iš Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus bei Švedijos audinių inžinierių keliai.

„Pažintis su M. Griffith prasidėjo prieš penkerius metus. Tai buvo vienas iš atvejų, kai naujų gamybos metodų unikalumas buvo pripažintas ir įvertintas. Mokslinė literatūra aiškiai rodė kryptį – audinių inžinerijoje irgi mėginama kurti ir naudoti standartizuotus gamybos procesus. Kurti technologijas, kai audinys yra formuojamas laboratorijoje. Konstruojamas, panaudojant įvairius įrankius“, – prisimena R. Valiokas

R. Valioko laboratorija yra sukūrusi miniatiūrizuotos gamybos metodus, kuriais galima efektyviai kurti akies ragenos biosintetinio implanto prototipus. Naujos medžiagos, iš kurių sintetinamas implantas, ir nauji gamybos metodai vienas kitą sėkmingai papildė.

„Pastebėjome, kad galima paskatinti akies ragenos implanto įaugimą, panaudojant mikrogardeles, kurios suformuojamos mūsų laboratorijoje. Geri priešklinikinių bandymų rezultatai mus paskatino išgryninti geriausias technologijas. Tam įsteigėme bendrą įmonę“, – tvirtina Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus vadovas.

Lietuvos, Kanados, Švedijos ir Indijos tyrėjus suvienijusios kompanijos tikslas – kurti, išbandyti ir pardavinėti biomimetinius peptidus bei peptidinius karkasus, skirtus audinių inžinerijai ir regeneracinei medicinai. Tokie karkasai, kuriami nanotechnologijos metodais, iš esmės yra sumanios medžiagos, kuriose užprogramuotos instrukcijos audiniams ir organams regeneruotis.

„R. Valioko grupė turi patirties, modifikuojant paviršius. Aš kuriu visą implantą, sintetinu nuo pradžios iki pabaigos. Tačiau kartais, norint pritraukti reikalingas ląsteles, būtina specialiai paruošta implanto paviršaus danga. Ir šioje srityje jie yra stiprūs. Taigi sujungiame mūsų sugebėjimus su jų sugebėjimais ir tikimės padaryti puikių dalykų“, – Lietuvos mokslininkus giria M. Griffith.

R. Valiokas priduria, kad naujos kartos naujos kartos biosintetinis hidrogelis artimiausiais mėnesiais bus išbandomas su pacientais.

„Mūsų sugalvoti patobulinimai netrukus irgi turėtų būti išbandomi su gyvūnais. Pagal rezultatus matysime, ar galima ruoštis bandymams su pacientais, kuriems tokio tipo naujos medžiagos pagelbėtų“, – sako R. Valiokas.

Mažiau kančių gyvūnams

Įdomu tai, kad naudojant tokius biomimetinius peptidus ir specialiai paruoštus implanto paviršius, nereikia naudoti kamieninių ląstelių, kad jos skatintų implanto prigijimą ir jo integraciją.

„Jeigu reikės kamieninių ląstelių, mes jų pridėsime. Kalbant apie rageną, pacientų turimų kamieninių ląstelių pakanka, kad dirbtinė ragena prigytų. Todėl nereikia papildomų ląstelių. Tačiau kai kuriems pacientams trūksta tokių ląstelių. Tokiu atveju mes įvedame kamienines ląsteles kartu su karkasu ir transplantuojame pacientui“, – procesą nupasakoja M. Griffith.

Nanoinžineriniai paviršių formavimo metodai būtini ne tik ragenos paviršiui modifikuoti. Prieš implantuodami tokius organus arba kūno dalis, mokslininkai turi tai išbandyti su gyvūnais arba kitose analogiškose sistemose. Ir čia labai padeda organų ant lusto modeliai.

„Daug audinių ant lusto programų. Tikslas – atkurti dalį organo, naudojant mikroskysčių technologijas. Svarbiausia – galimybė kuo tiksliau atkurti tikrą organą, jo funkcijas. Taip stengiamasi eksperimentams naudoti kuo mažiau gyvūnų. Pavyzdžiui, analizuojat ragenos transplanto savybes, gyvūnų modeliai nėra tikslūs. Todėl svarbu turėti sistemą, analogišką žmogaus organui“, – vardija M. Griffith.

Ateityje, naudodami kolageną ar kitas sumanias medžiagas, galbūt galėsime suformuoti arba išauginti ir kitus organus. Antai kepenis ar širdį.

„Tikiuosi, kad po penkerių ar dešimties metų organų trūkumo problema bus išspręsta. Ir žmonės, kuriems būtina persodinti organus, juos gaus, vaizdžiai sakant, „nuo lentynos“. Pagamintus specialiai jiems. In vitro sektoriuje galime tikėtis, kad daugiau tyrimų bus atliekama ant lustų ar organelių ir galėsime atsisakyti daugumos bandymų su gyvūnais. Tai ne tik sukelia daug kančių gyvūnams, bet ir biologiškai nėra tikslu“, – viliasi M. Griffith.