Chcesz wiedzieć co to jest biodruk 3D? Tak naprawdę odpowiedź na to pytanie w dużym stopniu uzależniona jest od źródła, w którym szukasz odpowiedzi – z racji tego, że biodruk 3D jest nadal nową, wciąż rozwijającą się dziedziną nauki fakty na jego temat często przeplatane są z domysłami i niewłaściwie zinterpretowanymi informacjami.
Dzisiaj chciałabym podzielić się z Wami trzema całkowicie różnymi spojrzeniami na technologię biodrukuk 3D. Co łączy francuski film z lat dziewięćdziesiątych z rozwijającą się dopiero dziedziną nauki? I ile będziemy musieli jeszcze czekać na nerki z drukarki 3D? Przekonajcie się sami.
Obraz biodruku 3D według artystów
Strefa technologii inspiruje artystów – chociaż zazwyczaj nie są oni świadomi naukowych podstaw rządzących obrazowanymi przez nich procesami to starają się przedstawić je w jak najbardziej ciekawy sposób dla odbiorców. Niedawno Paweł pisał o biodruku 3D w świecie filmu w kontekście jednego z seriali Netflixa – Altered Carbon, gdzie innowacyjne urządzenie pozwalało na kompletny wydruk ciała człowieka w kilka godzin. Niestety, autorzy nie skupili się na przedstawieniu własnej interpretacji przebiegu takiego procesu – a szkoda.
Po dokładniej przedstawione przykłady „artystycznego biodruku 3D” trzeba sięgnąć zatem nieco głębiej, wśród nieco starszych filmów. Kilka dni temu po raz kolejny oglądałam „Piąty element”, czyli jeden z tych filmów do którego mam ogromny sentyment i chociaż znam go niemal na pamięć przy każdym kolejnym seansie czymś mnie zaskakuje. Tym razem po raz pierwszy zwróciłam uwagę na scenę „odtwarzania” Leeloo pod kątem wykorzystanej technologii, która przywodzi na myśl wariację na temat druku 3D.
Na podstawie komórek zawierających niezbędne grupy DNA grupie naukowców udaje się wygenerować kolejne części kości i tkanek, które nanoszone są przez robotyczne ramię w formie warstw. Przedstawiony został również proces tworzenia czaszki oraz tkanek mózgu – tutaj również kolejne warstwy, wyglądające jak obrazy z badania rezonansem magnetycznym, są na siebie nanoszone i automatycznie scalane.
Oczywiście, na całość należy patrzeć przez pryzmat kinowej fikcji – nie można oprzeć się jednak wrażeniu, że jak na film sprzed ponad dwudziestu lat scena „biodrukowania 3D” człowieka jest intrygująca ze względu na fakt, że pomimo niektórych technikaliów, które fizycznie nie są do osiągnięcia, część faktów nawiązuje (co prawda luźno) do nowoczesnej medycyny.
W przypadku powyższej sceny jak i klasycznego biodruku 3D materiałem wymaganym do tworzenia struktur są komórki macierzyste – ich niepowtarzalna zdolność do różnicowania się w komórki innych typów dają szerokie pole do tworzenia w przyszłości funkcjonalnych organów, pełniących kilka funkcji anatomicznych. Oczywiście, druk 3D nie jest tak spektakularnym procesem (zasada działania jest podobna do tej wykorzystywanych w drukarkach 3D pracujących w technologii FFF), dlatego trudno się dziwić, że Luc Besson przedstawił całość w bardziej atrakcyjny dla widza sposób.
Co więcej, można powiedzieć, że reżyser również przewidział możliwość zintegrowania danych zbieranych w badaniach obrazowania medycznego z techniką druku 3D. Obecne możliwości technologiczne dają możliwość wykorzystania modeli uzyskiwanych w badaniach tomografii komputerowej do personalizacji implantów czy wykonywania modeli przedoperacyjnych wykorzystywanych w przygotowaniach do zabiegów.
Wizerunek biodruku 3D kreowany w mediach
Masowe media starają się uświadamiać ludzi w kwestiach nowinek technologicznych i oczywiście jest to warte pochwały jednak tylko wtedy, gdy przekazywana wiedza jest rzetelna. Chodzi przede wszystkim o to, aby nie robić z biodruku 3D technologii, która obecnie jest powszechnie wykorzystywana, a pacjenci w szpitalach mogą już z niej korzystać. Sama spotkałam się z przypadkiem, kiedy przedstawicielka ogólnotematycznych mediów zwróciła się do nas, chcąc robić reportaż o biodruku 3D – o przypadku tego zderzenia wyobrażeń z przyziemną rzeczywistością możecie przeczytać tutaj.
Nic dziwnego, że biodruk 3D przyciąga uwagę dziennikarzy – założenie stworzenia funkcjonalnego organu z kilku komórek rozbudza wyobraźnie czytelników (na początku mojej przygody z technologią biodruku 3D to też był niemały szok). Jednak rzeczywistość ma nieco inne oblicze…
Jeśli chodzi o biodruk 3D często przywoływanym przykładem jest jedna z prelekcji wygłoszona w ramach konferencji TED, której celem jest dzielenie się ideami wartymi upowszechnienia. Naukowiec i chirurg Anthony Atala przedstawił podczas swojego wystąpienia wydrukowaną 3D nerkę – trzeba jednak pamiętać, że ta nerka to prototyp i zanim tak konstruowane organy wejdą w fazę badań klinicznych trzeba będzie jeszcze poczekać. Ile? Dziennikarze twierdzą, że przy obecnym rozwoju technologicznym zajmie to nie więcej niż 5 lat. Ja w swoich rokowaniach jestem bardziej ostrożna – myślę, że ten czas możemy liczyć w dekadach.
W ramach uściślenia – w swoim wystąpieniu Atala mówi także o „wyhodowanym” pęcherzu moczowym (więcej informacji tutaj), który wszczepiono pacjentowi blisko dziesięć lat temu. W odpowiedzi na pytanie, które przychodzi na myśl niemal automatycznie, warto podkreślić, że do stworzenia pęcherza nie użyto biodrukarki 3D. Jednak doświadczenie zdobyte na podstawie prowadzonych badań jest nieocenione w dalszych pracach nad biodrukiem.
Mylne jest również przekonanie, że biodrukarki 3D pozwolą żyć ludziom wiecznie… Wiem, jak niedorzecznie to brzmi, jednak w ogólno-tematycznych portalach, które porywają się na tłumaczenie skomplikowanych procesów w jak najbardziej przystępny sposób można wyczytać takie tezy. Jako argument koronny podawany w takich przypadkach jest fakt, że jeżeli jakiś z naszych organów się „zużyje”, można wydrukować nowy, prawda?
Tak jak w przypadku obecnie funkcjonujących procedur, biodrukowane 3D narządy mają stanowić alternatywę dla organów zdatnych do przeszczepu, których niedobór jest ogromnym problemem dla osób zmagających się m.in. z niewydolnością nerek. Etyczny aspekt całego procesu może również budzić zastrzeżenia – na ile naukowcy mogą ingerować w tak znaczący sposób w ludzkie ciało?
Czym jest biodruk według naukowców?
Po raz kolejny należy przypomnieć, że biodruk 3D to ogromna szansa dla nowoczesnej medycyny – wymaga jednak ogromnego nakładu pracy oraz czasu. Wytworzenie nawet niewielkich fragmentów tkanek jest dla naukowców ogromnym sukcesem, a pojedyncze przypadki drukowanych 3D narządów, spełniające przynajmniej kilka funkcji anatomicznych, to niesamowite osiągnięcie – mimo to, badacze muszą stawić czoło szeregowi problemów…
Tkanki z drukarki 3D można generalnie wytwarzać dwiema metodami:
- tworząc rusztowanie, które stanowi dla komórek konstrukcje do właściwego wzrostu. Na tego rodzaju strukturę (stworzona np. z hydrożelu) po wydrukowaniu 3D nanosi się komórki, które dalej tworzą prawidłową tkankę,
- nanosząc komórki zatopione w hydrożelu aż do osiągnięcia pożądanego kształtu – rozdzielczość tego typu wydruków uwarunkowana jest m.in. przez gęstość i konsystencje biotuszu. Wykorzystanie pneumatycznego systemu ekstrudowania materiału minimalizuje ryzyko uszkadzania wytłaczanych komórek zawieszonych w hydrożelowej matrycy.
Biodrukowana tkanka musi następnie zostać inkubowana w odpowiednich warunkach tak, aby pozwolić komórkom na odpowiedni wzrost. Niewątpliwą zaletą tak tworzonych tkanek jest niskie ryzyko odrzucenia wszczepu, który jest zrobiony z tkanek organizmu.
Samo nakładanie kolejnych warstw o określonym kształcie jest stosunkowo proste – o wiele większym wyzwaniem jest zapewnienie komórkom takich warunków, aby wykazywały jak najwyższą przeżywalność. Mowa tu oczywiście o odpowiedniej, stałej temperaturze (najlepiej takiej jak wewnątrz ciała człowieka), sterylnym środowisku o jak najmniejszej ekspozycji na promieniowanie UV.
Jednak to nie koniec problemów jakie idą za biodrukiem 3D – aby komórki w przestrzennej strukturze rozwijały się prawidłowo trzeba jej zapewnić zarówno możliwość dyfuzji składników pokarmowych, a także dostęp do tlenu. W naszym ciele tę sprawę załatwiają sieci kapilarnych naczyń krwionośnych, które dostarczają komórkom niezbędne składniki, odbierając zbędne produkty przemiany materii. Jak na razie maksymalna grubość takiej struktury, zapewniającej odpowiednią przeżywalność to ok. 200 mikrometrów – nic więc dziwnego, że naukowcy szukają rozwiązania tego problemu.
Jak na razie najwięcej doniesień biodruku 3D dotyczy wytwarzania skóry – zazwyczaj pełnią one jedynie jedną z szerokiej palety funkcji tej tkanki. Jednak pojedyncze tkanki nie robią takiego wrażenia, jak organ z drukarki 3D prawda? A co, jeśli powiem Wam, że technologia biodruku 3D może zostać wykorzystana w zupełnie inny sposób, który nie ma zbyt dużo wspólnego z przeszczepami?
Biodruk 3D może nie tyle zmieniać oblicze transplantologii, ale stać się technologią pomocną w trakcie testowania nowych leków, dedykowanych konkretnym grupom odbiorców, a nawet indywidualnych pacjentów. Leki obecnie testowane są na pojedynczych komórkach – nie trzeba jednak przekonywać, że komórki o odpowiedniej strukturze będą pokazywać odpowiedz organizmu na lek bardziej zbliżoną do tej, której można się spodziewać. Technika biodruku 3D z komórek pobranych od pacjenta daje możliwość nie tylko dokładniejszego przetestowania nowych leków, ale również uniknięcia kontrowersyjnego etapu badań na zwierzętach. Więcej o testowaniu leków z wykorzystaniem technologii biodruku 3D znajdziecie tutaj.
Prace nabierają tempa, rzesza naukowców związanych z technologią łączącą druk 3D i żywe komórki ciągle rośnie – tego typu projekty prowadzone są również w Polsce! Ilość potencjalnych dróg rozwoju technologi jest ogromna, a właściwe wykorzystanie biodruku 3D to szansa dla nowoczesnej medycyny. My oczywiście trzymamy rękę na pulsie, z niecierpliwością czekając na nowe, ekscytujące informacje ze świata biodruku 3D.
Grafika przewodnia: [1]
