Hodowla narządów to przełomowa dziedzina badań, której celem jest hodowanie zdrowych ludzkich narządów i komórek w laboratorium do przeszczepu w ludzkim ciele.
Dziedzina ta niesie ze sobą ogromną obietnicę leczenia różnych poważnych chorób, w tym chorób przewlekłych, poważnych urazów i wad wrodzonych.

Idea hodowania ludzkich narządów w laboratorium istnieje od wielu lat, ale dopiero w ostatnich latach nastąpił znaczący postęp w tej dziedzinie.
Początki charakteryzowały się próbami hodowania pojedynczych komórek w laboratorium, a później naukowcy przeszli do hodowli prostych tkanek.
Przełom w inżynierii tkankowej nastąpił w latach 90. Sam druk 3D został wynaleziony już w 1984 roku (stereolitografia, Charles Hull), a drukowanie żywych komórek (biodruk) zostało po raz pierwszy zademonstrowane w 2003 roku. Połączenie tych technologii umożliwiło tworzenie bardziej złożonych struktur trójwymiarowych.

Inżynieria tkankowa:

Technologia ta koncentruje się na hodowaniu ludzkich komórek na trójwymiarowych rusztowaniach, tworząc strukturę i funkcję przypominającą narząd. Proces ten przebiega w kilku etapach:

Wybór komórek: Odpowiednie ludzkie komórki są pobierane z różnych źródeł, takich jak biopsja od pacjenta, komórki macierzyste lub komórki embrionalne.
Namnażanie komórek: Komórki namnażają się w laboratorium w kontrolowanych warunkach.
Rusztowanie: Tworzenie trójwymiarowego rusztowania z materiałów biologicznych lub syntetycznych, które służy jako podstawa do hodowli tkanki.
Wysiewanie: Komórki są umieszczane na rusztowaniu.
Dojrzewanie: Tworzenie optymalnych warunków do wzrostu tkanki, przy jednoczesnym dostarczaniu składników odżywczych i tlenu.
Przeszczep: Po wystarczającym wzroście i rozwoju tkanki można ją przeszczepić do ciała pacjenta.

Inżynieria tkankowa umożliwia hodowlę szerokiej gamy tkanek, w tym:

Skóra: Do leczenia oparzeń, przewlekłych ran i operacji plastycznych.
Kość: Do leczenia złamań, urazów i operacji ortopedycznych.
Mięsień: Do leczenia urazów mięśni, dystrofii mięśniowej i zaniku mięśni.
Chrząstka: Do leczenia zapalenia stawów, urazów chrząstki i operacji ortopedycznych.
Naczynia krwionośne: Do leczenia chorób serca i naczyń krwionośnych, przeszczepów narządów i skomplikowanych operacji.

Główne wyzwania w dziedzinie inżynierii tkankowej:

Tworzenie naczyń krwionośnych: Dostarczanie tlenu i składników odżywczych do wszystkich części tkanki jest niezbędne dla jej powodzenia.
Integracja nerwowa: Tworzenie prawidłowego połączenia nerwowego między przeszczepioną tkanką a ciałem pacjenta.
Odrzucenie immunologiczne: Zapobieganie odrzuceniu przeszczepionej tkanki przez układ odpornościowy organizmu.

Druk 3D narządów:

Ta przełomowa technologia umożliwia tworzenie sztucznych narządów poprzez drukowanie ludzkich komórek i materiałów biologicznych. Proces drukowania odbywa się warstwowo przy użyciu specjalnych drukarek 3D.

Zalety druku 3D:

Precyzja: Tworzenie narządów o złożonej i precyzyjnej strukturze.
Personalizacja: Drukowanie narządów dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta, z wykorzystaniem jego własnych komórek.
Dostępność: Potencjał zwiększenia podaży narządów dostępnych do przeszczepu.

Główne wyzwania w dziedzinie druku 3D:

Materiały: Opracowanie odpowiednich materiałów biologicznych do druku i prawidłowego funkcjonowania narządu.
Naczynia krwionośne: Stworzenie wydajnego układu naczyń krwionośnych wewnątrz wydrukowanego narządu.
Dojrzewanie: Stworzenie optymalnych warunków do rozwoju wydrukowanej tkanki.

Przeszczep komórek macierzystych:

Komórki macierzyste to niezróżnicowane komórki o wysokiej zdolności do różnicowania się. Komórki te mogą rozwinąć się w wiele różnych typów komórek, co czyni je potencjalnym rozwiązaniem w leczeniu różnych chorób.

Wyzwania stojące przed tą dziedziną:

Inżynieria złożonych tkanek: Tworzenie narządów o pełnej funkcjonalności, takich jak układ naczyń krwionośnych i nerwów. Do tej pory naukowcom udało się wyhodować jedynie stosunkowo proste narządy, a wciąż brakuje sposobu na tworzenie złożonych narządów o pełnej funkcjonalności.
Odrzucenie immunologiczne: Zapobieganie odrzuceniu przeszczepionego narządu przez układ odpornościowy organizmu. Możliwym rozwiązaniem tego problemu jest hodowanie narządów z komórek genetycznie dopasowanych do pacjenta lub stosowanie leków immunosupresyjnych.
Gwarancje etyczne: Hodowanie ludzkich narządów w laboratorium rodzi złożone pytania etyczne, takie jak:
- Alokacja narządów: W jaki sposób zostanie ustalone, kto otrzyma przeszczepiony narząd, a kto pozostanie na liście oczekujących?
- Marketing narządów: Czy narządy będą dostępne dla wszystkich, czy tylko dla tych, którzy mogą sobie na nie pozwolić?
- Tworzenie „ludzkich zwierząt domowych”: Czy właściwe jest hodowanie ludzkich narządów do przeszczepu u zwierząt?

Postęp naukowy w tej dziedzinie:

W ostatnich latach nastąpił znaczący postęp w dziedzinie hodowli narządów. Naukowcom udało się wyhodować w laboratorium stosunkowo proste narządy, takie jak pęcherz moczowy i cewkę moczową, a nawet z powodzeniem przeszczepić je pacjentom. Osiągnięto również znaczący postęp w hodowli bardziej złożonych tkanek, takich jak serce i wątroba.

Przyszłość hodowli narządów:

Dziedzina hodowli narządów ma szansę zrewolucjonizować medycynę.
W przyszłości być może będzie można wyhodować w laboratorium narządy i komórki dla każdego człowieka, dostosowane indywidualnie, a tym samym leczyć poważne choroby i poprawić jakość życia milionów ludzi na całym świecie.

Przełomowe eksperymenty w tej dziedzinie:

Inżynieria tkankowa:

Zespół naukowców z Wake Forest University (pod kierownictwem dr Anthony'ego Atali) zdołał wyhodować ludzki pęcherz moczowy w laboratorium z komórek samego pacjenta i z powodzeniem przeszczepić go pacjentom (2006).
Zespół naukowców z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (badania pod kierownictwem dr Atlantidy Raya-Rivery, przeprowadzone w Mexico City) zdołał wyhodować ludzką cewkę moczową w laboratorium z komórek pacjentów i z powodzeniem przeszczepić ją pięciu chłopcom (2011).

Druk 3D narządów:

Zespół naukowców z Wyss Institute na Uniwersytecie Harvarda zdołał wydrukować w 3D ludzkie kanaliki nerkowe połączone z naczyniami krwionośnymi, symulujące funkcję wchłaniania nerki (2019).
Zespół naukowców z Uniwersytetu Tel Awiwu zdołał wydrukować w 3D maleńkie ludzkie serce wielkości wiśni, z komórek pacjenta. Był to jedynie dowód słuszności koncepcji: komórki kurczyły się, ale serce nie było jeszcze w stanie pompować krwi (2019).
Zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) zdołał wyhodować z komórek macierzystych trójwymiarowy organoid płucny („płuco na szalce”), maleńką strukturę imitującą pęcherzyki płucne (jest to hodowla z komórek, a nie druk 3D).

Przeszczep komórek macierzystych:

Zespół naukowców z Japonii (Instytut RIKEN, pod kierownictwem dr Masayo Takahashi) przeprowadził w 2014 roku pierwszy na świecie przeszczep komórek pochodzących z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS) w oku pacjenta z związanym z wiekiem zwyrodnieniem plamki żółtej (AMD). Celem eksperymentu było przede wszystkim sprawdzenie bezpieczeństwa, a udało się zatrzymać postęp pogorszenia (nie wykazano wyraźnej poprawy wzroku).
Zespół naukowców ze Stanów Zjednoczonych zdołał przeszczepić komórki macierzyste pacjentowi z porażeniem rdzenia kręgowego w celu poprawy funkcji motorycznych.
W Stanach Zjednoczonych (UCSF, pod kierownictwem dr Tippi Mackenzie) przeprowadzono pierwsze na świecie badanie kliniczne przeszczepu komórek macierzystych w macicy u płodów cierpiących na ciężką talasemię alfa, z wykorzystaniem komórek szpiku kostnego matki. Badanie (faza 1) wykazało bezpieczeństwo i wykonalność, ale nie doprowadziło do całkowitego wyleczenia choroby.

.
Referencje:

https://newsroom.wakehealth.edu/news-releases/2006/04/wake-forest-physician-reports-first-human-recipients-of-laboratorygrown-organs
https://www.cnbc.com/2016/02/16/wake-forest-university-scientists-print-living-body-parts.html
https://school.wakehealth.edu/research/institutes-and-centers/wake-forest-institute-for-regenerative-medicine
https://healthland.time.com/2011/03/08/scientistis-grow-a-new-urethra-and-possibly-many-other-human-organs-in-the-lab/
https://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-5494600,00.html
https://wyss.harvard.edu/news/a-step-forward-in-building-functional-human-tissues/
https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/03/harvard-scientists-bioprint-3-d-kidney-tubules/
https://www.ft.com/content/5bb992ca-5390-11e4-929b-00144feab7de
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9537826/