Το μέλλον μέσω της Βιοεκτύπωσης

Τί είναι η Βιοεκτύπωση;

Έχετε ακούσει ποτέ για την τρισδιάστατη εκτύπωση; Τώρα, φανταστείτε ότι αντί να χρησιμοποιούμε πλαστικό, χρησιμοποιούμε βιολογικό υλικό για την εκτύπωση οργάνων και ιστών. Για μένα, αυτό ακούγεται σαν κάτι βγαλμένο από σκηνή ταινίας ενός φουτουριστικού εργαστηρίου. Αλλά αυτή είναι μια τεχνολογία που υπάρχει εδώ και αρκετό καιρό.

Το 1984, ένας άνδρας που ονομάζεται Charles Hull εφηύρε τη στερεολιθογραφία (STL) για τη βιοεκτύπωση τρισδιάστατων αντικειμένων από ψηφιακά δεδομένα [1]. Το STL είναι ένα σύστημα για τη δημιουργία μιας τρισδιάστατης δομής, που δημιουργείται στρώμα-στρώμα χρησιμοποιώντας φωτοχημικές διεργασίες [2]. Αυτή η εφεύρεση λέγεται ότι συμβόλιζε τη γέννηση της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Έκτοτε, τα μοντέλα in vitro έχουν εξελιχθεί από απλές δισδιάστατες δομές σε πιο προηγμένες
τρισδιάστατες δομές όπως οργανοειδή (μινιατούρα εκδοχή οργάνου), μικρο-ιστούς και δυναμικά συστήματα καλλιέργειας [3]. Τέσσερα χρόνια μετά την εφεύρεση του Charles Hull, η πρώτη βιοεκτύπωση αποδείχθηκε με μικρο-τοποθέτηση κυττάρων σε
ένα δισδιάστατο μοτίβο. Σήμερα, η τεχνολογία βιοεκτύπωσης χρησιμοποιείται κυρίως για τη μοντελοποίηση μιας ποικιλίας ιστών, οργάνων και ασθενειών [3]. Αυτό
επιτρέπει σε ερευνητές και γιατρούς να έχουν πρόσβαση σε μοντέλα που θα μπορούσαν να προσομοιώσουν πραγματικούς ιστούς και όργανα και αλληλεπιδράσεις μεταξύ υλικών και κυττάρων, γεγονός που καθιστά ευκολότερη τη μελέτη τους.

Πώς γίνεται βιοεκτύπωση;

Τώρα, που εισαγάγαμε τι είναι η βιοεκτύπωση και καταλάβαμε γιατί αυτή είναι μια επαναστατική τεχνολογία στον τομέα της ιατρικής και ενδεχομένως και σε άλλους τομείς της επιστήμης, μπορούμε να πάρουμε περισσότερες λεπτομέρειες. Πώς λειτουργεί η βιοεκτύπωση; Ή, πώς να βιοτυπωθεί;

Τέσσερις μέθοδοι

Πρώτον, το υλικό που χρησιμοποιείται για τη βιοεκτύπωση ονομάζεται βιομελάνι. Το βιομελάνι αποτελείται από κύτταρα που περιβάλλονται από ένα υποστηρικτικό υλικό που ονομάζεται υδροπήκτης [4]. Αυτό το βιομελάνι χρησιμοποιείται για να σχηματίσει τρισδιάστατες δομές στις οποίες τα κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν, να διαιρεθούν και να μεταναστεύσουν.

Στη συνέχεια, υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στη βιοεκτύπωση [5]. Υπάρχει η βιοεκτύπωση με εξώθηση, η εκτύπωση Inkjet, η βιοεκτύπωση λιθογραφίας και η βιοεκτύπωση με βάση το κυτταρικό σφαιρίδιο. Η βιοεκτύπωση με εξώθηση είναι η πιο κοινή και προσιτή μέθοδος. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια εξώθηση με πίεση βιομελανιού από ένα ακροφύσιο για νήματα εκτύπωσης που έχουν σχεδιαστεί από τον χρήστη. Οι εκτυπωτές Inkjet είναι αρκετά παρόμοιοι με τους εκτυπωτές εξώθησης, η κύρια διαφορά έγκειται στο ότι το βιομελάνι εναποτίθεται με τη μορφή σταγονιδίων αντί για συνεχή ροή.

Η μέθοδος βιοεκτύπωσης λιθογραφίας χρησιμοποιεί φως για να διαμορφώσει μια ρητίνη υδροπήκτη γεμάτη κύτταρα σε τρισδιάστατες δομές. Αυτή η τεχνική προσφέρει υψηλότερη ανάλυση από την τεχνική εξώθησης. Στην τελευταία μέθοδο βιοεκτύπωση με βάση το κυτταρικό σφαιρίδιο, επίσης γνωστή ως βιοσυναρμολόγηση, τα κυτταρικά συσσωματώματα συναρμολογούνται με ακρίβεια σε τρισδιάστατες δομές πυκνότητας κυττάρων ή δομές που περιέχουν οργανοειδή.

Τρεις προσεγγίσεις

Τέλος, κατά το σχεδιασμό αντικειμένων προς βιοεκτύπωση, υπάρχουν τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη: βιομιμητισμός, μίνι δομικά στοιχεία ιστού και αυτόνομη αυτοσυναρμολόγηση [6]. Η βιομίμηση αφορά την έννοια της έμπνευσης από τη φύση κατά την αναζήτηση λύσεων σε περίπλοκα ανθρώπινα προβλήματα. Όταν εφαρμόζεται βιομιμητισμός στη βιοεκτύπωση, περιλαμβάνει την κατασκευή πανομοιότυπων αναπαραγωγών κυτταρικών και εξωκυτταρικών συστατικών ιστών και οργάνων. Μπορεί να είναι και τα δύο μικρά μέρη ενός ιστού ή οργάνου, όπως διακλαδώσεις αιμοφόρων αγγείων, ή ολόκληρα όργανα που αναπαράγονται.

Η αυτόνομη αυτοσυναρμολόγηση είναι επίσης μια προσέγγιση που μιμείται τη φύση, αλλά σε αυτήν την περίπτωση για την ειδική αναπαραγωγή βιολογικών ιστών. Η μέθοδος χρησιμοποιεί την ανάπτυξη εμβρυϊκών οργάνων ως οδηγό κατά τον σχεδιασμό των βιολογικών συστημάτων. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία απαιτεί μια βαθιά γνώση των αναπτυσσόμενων μηχανισμών των εμβρυϊκών ιστών και του τρόπου χειρισμού του περιβάλλοντος των κυττάρων για να οδηγήσουν τους εμβρυϊκούς μηχανισμούς στους βιοεκτυπωμένους ιστούς.

Ένας μίνι ιστός μπορεί να οριστεί ως το μικρότερο λειτουργικό συστατικό ενός ιστού
ή ενός οργάνου. Αυτή η ιδέα μπορεί να είναι σχετική και για τις δύο παραπάνω στρατηγικές, καθώς οι μίνι ιστοί μπορούν να κατασκευαστούν και να συναρμολογηθούν σε μεγαλύτερα λειτουργικά κομμάτια χρησιμοποιώντας αυτοσυναρμολόγηση, ορθολογικό σχεδιασμό ή συνδυασμό και των δύο.

Για την εκτύπωση μιας σύνθετης τρισδιάστατης βιολογικής δομής με λειτουργικές, μηχανικές και δομικές ιδιότητες, είναι πιθανό να απαιτούνται όλες οι παραπάνω στρατηγικές. Επιπλέον, περαιτέρω σημαντικά βήματα της διαδικασίας βιοεκτύπωσης περιλαμβάνουν απεικόνιση και σχεδιασμό, επιλογή κατάλληλων υλικών και κυττάρων και τέλος την εκτύπωση του κατασκευασμένου ιστού. Όταν ο ιστός κατασκευάζεται, μπορεί να μεταμοσχευθεί ή σε ορισμένες περιπτώσεις ωριμάζει σε in vitro περιβάλλον πριν από τη μεταμόσχευση. Μπορεί επίσης να κρατηθεί για in vitro εξέταση και ανάλυση.

Πιθανές εφαρμογές

Αναγεννητική ιατρική και μηχανική ιστών για πιθανή μεταμόσχευση [7]

Όταν σκεφτόμαστε τη βιο-εκτύπωση, φανταζόμαστε αμέσως να εκτυπώνουμε καρδιές, πνεύμονες, νεφρά, ακόμη και ένα μάτι. Αλλά η εκτύπωση λειτουργικών οργάνων είναι μια πρόκληση. Αλλά κάθε ιστός που δεν απαιτεί αγγείωση, όπως τα αιμοφόρα αγγεία ή ο χόνδρος, είναι ήδη ένα εξαιρετικό παράδειγμα επιτυχίας.

Η δημιουργία καρδιακών βαλβίδων είναι μια άλλη σημαντική εφαρμογή της μηχανικής ιστών, καθώς οι κατεστραμμένες καρδιακές βαλβίδες δεν έχουν την ικανότητα να αναγεννηθούν, επομένως πρέπει να αντικατασταθούν με μηχανικά ή βιολογικά υποκατάστατα. Η βιοεκτύπωση είναι μια βιώσιμη μέθοδος για την παραγωγή ανατομικά ακριβούς γεωμετρίας της αορτικής βαλβίδας για την αντιμετώπιση της στένωση ισθμού της αορτής, για παράδειγμα.

Ωστόσο, υπάρχει ακόμη πολλή έρευνα που πρέπει να γίνει πριν από μια μηχανικά σταθερή τρισδιάστατη δομή που συνδέεται με το αγγειακό σύστημα. Σε παρόμοια προοπτική, πραγματοποιήθηκαν πειράματα χρησιμοποιώντας άμεση εναπόθεση βλαστοκυττάρων σε ανοιχτά τραύματα για να επιτραπεί η αναγέννηση της επιδερμικής στιβάδας που οδηγεί σε άλλη μια επιτυχία.

Για παράδειγμα, το BIOLIFE4D [8] πέτυχε τη βιοεκτύπωση μιας μινιατούρας ανθρώπινης καρδιάς επαναπρογραμματίζοντας τα λευκά αιμοσφαίρια του ίδιου του ασθενούς σε επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα και στη συνέχεια διαφοροποιώντας αυτά τα κύτταρα iPS στους διαφορετικούς τύπους καρδιακών κυττάρων που απαιτούνται για τη βιοεκτύπωση μεμονωμένων στοιχείων της καρδιάς.

Φαρμακευτική έρευνα στον τομέα των φαρμάκων

Ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο μοντέλο ανθρώπινου ιστού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την έρευνα χορήγησης φαρμάκων, καθώς και ως μελέτες διαλογής φαρμάκων. Τα μοντέλα ιστών που κατασκευάζονται από τρισδιάστατη βιοεκτύπωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα της ευρείας σειράς μορίων στο σχεδιασμό φαρμάκων, καθώς μιμούνται στενά τον εγγενή ιστό και μπορούν να δημιουργηθούν με τρόπο υψηλής απόδοσης με κατασκευή σε μικροδίκτυα.

Εκτός από τη δυνατότητα ελέγχου του μεγέθους των ιστών και της μικροαρχιτεκτονικής τους, οι βιοεκτυπωμένοι ιστοί μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλους όγκους, να καλλιεργηθούν ταυτόχρονα και να ενέχουν μικρό κίνδυνο διασταυρούμενης μόλυνσης. Πράγματι, ως άμεσο παράδειγμα εφαρμογής, κατέστη δυνατός ο έλεγχος του μεταβολισμού του φαρμάκου χρησιμοποιώντας βιο-τυπωμένα μοντέλα ήπατος.

Έρευνα με ευρύτερο τρόπο

Σκεφτείτε την περίπτωση του καρκίνου. Λόγω της έλλειψης τρισδιάστατων αλληλεπιδράσεων με γειτονικά κύτταρα και υποστρώματα, τα δισδιάστατα μοντέλα όγκων δεν αντιπροσωπεύουν ένα φυσιολογικά σχετικό περιβάλλον. Ως εκ τούτου, η βιοεκτύπωση παρέχει ένα μέσο για την κατανόηση των κυτταρικών αλληλεπιδράσεων σε τρεις διαστάσεις και την πραγματοποίηση κλινικά σχετικών παρατηρήσεων.

Θα μπορούσαμε να σκεφτούμε ακόμη περισσότερο: η δυνατότητα εκτύπωσης ενός δερματικού ιστού που το μιμείται σχεδόν στην εντέλεια θα μπορούσε να είναι χρήσιμη σε διάφορους τομείς, όπως τα καλλυντικά, για τη δοκιμή προϊόντων πριν από την εμπορία.

Πλεονεκτήματα και όρια

Οι πιο πρόσφατες τεχνολογίες ακούγονται πάντα φουτουριστικές και καινοτόμες με
αρκετά πλεονεκτήματα, αλλά έχουν και τα δικά τους μειονεκτήματα.

Πράγματι, αυτή η πιθανή λύση για τους εκατοντάδες χιλιάδες ασθενείς που περιμένουν για μεταμόσχευση αλλά και για αποκατάσταση ιστού θα ήταν μια επανάσταση ενάντια στην τρέχουσα έλλειψη. Αυτή η προσέγγιση θα αποτρέψει ακόμη και πιθανές απορρίψεις κυττάρων. Και δεν είναι μόνο όφελος για τον άνθρωπο, διότι θα επέτρεπε επίσης τη μείωση των δοκιμών που γίνονται σε ζώα, για να μην αναφέρουμε τη σημαντική επιστημονική κινητοποίηση για έρευνα που ήδη δημιουργεί.

Υπάρχει όμως πολύς δρόμος ακόμα. Η ιδεαλιστική εικόνα είναι κάπως αλλοιωμένη από το πολύ υψηλό κόστος αυτής της τεχνικής με πιθανή ασφαλιστική κάλυψη που παραμένει πολύ χαμηλή, περιορίζοντας επομένως την προσβασιμότητα. Η παρουσία
στη δοκιμαστική φάση καθιστά δύσκολη την προβολή πιθανών ανεπιθύμητων ενεργειών στους ασθενείς. Ωστόσο, είναι μια πολύ ακριβής και σχολαστική επιστήμη
που επιδιώκει να μιμηθεί την πολύ περίπλοκη λειτουργία του ανθρώπινου σώματος και των συστατικών του, κάτι που δεν είναι εύκολη υπόθεση.

Βιοεκτύπωση στο μέλλον

Σήμερα, η βιοεκτύπωση βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο. Παρά τις λίγες γκρίζες περιοχές αυτής της ιδέας, παραμένει μια πολλά υποσχόμενη και επαναστατική λύση για ένα καλύτερο μέλλον και προσφέρει νέες προοπτικές σε ερευνητές και επαγγελματίες που εργάζονται μαζί για να ανταποκριθούν σε αυτήν τη μεγάλης κλίμακας πρόκληση. Θα ήταν αυτό ένα εξαιρετικό βήμα προς την 4D εκτύπωση;

Βιβλιογραφικές αναφορές

[1] Zeming Gu, Jianzhong Fu, Hui Lin, Yong He, 2020 https://doi.org/10.1016/j.ajps.2019.11.003

[2] Charles W. Hull, 1986 US4575330A – Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography – Google Patents

[3] Yi Xiang, Kathleen Miller, Jiaao Guan, Wisarut Kiratitanaporn, Min Tang & Shaochen Chen, 2022 https://doi.org/10.1007/s00204-021-03212-y

[4] Immuno Diagnostic, 2020 Bioprinting – the future of research: how to get started – Immuno Diagnostic

[5] Andrew C.Daly, Margaret E.Prendergast, Alex J.Hughes, Jason A.Burdick, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002

[6] Sean V Murphy & Anthony Atala, 2014 https://doi.org/10.1038/nbt.2958

[7] Madhuri Dey & Ibrahim T. Ozbolat, 2020 https://www.nature.com/articles/s41598-020-70086-y

[8] BIOLIFE4D, 2022 https://biolife4d.com/about/