Τι είναι η 3D εκτύπωση και πως μπορεί να αναπαραγάγει κύτταρα και όργανα στην ιατρική; (video)

του Κώστα Λούβρου, M.D., medlabnews.gr

Η τρισδιάστατη εκτύπωση, μια τεχνολογία για την κατασκευή αντικειμένων από αλλεπάλληλα στρώματα υλικού που στερεοποιείται, ενθουσιάζει τα τελευταία χρόνια τόσο τους επιστήμονες όσο και τη βιομηχανία, και έχει ήδη αρχίσει να αξιοποιείται στην Ιατρική, έστω και σε πειραματικό επίπεδο.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει να φτιαχτούν κατασκευές σε όποιο σχήμα και σχέδιο επιθυμούμε και στη συνέχεια, με τη μέθοδο της διαστρωμάτωσης, να αποκτήσουν απίστευτες αντοχές. Όταν τα κομμάτια μονταριστούν μεταξύ τους, μπορούν να κατασκευάσουν ό,τι βάζει ο νους. Μάλιστα, η 3D τεχνολογία χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, από την αυτοκινητοβιομηχανία, τις εταιρείες που παράγουν ιατρικό εξοπλισμό, αλλά και άλλες μικρότερες βιοτεχνικές μονάδες, ενώ άλλες μορφές αξιοποίησής της αφορούν την κατασκευή κοσμημάτων και χρηστικών αντικειμένων. Έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει ένα ακριβές και λειτουργικό αντίγραφο ενός οποιουδήποτε υπαρκτού αντικειμένου αρκεί να γίνει ένα “σκανάρισμα”.

Ακολούθως, πραγματοποιείται το τρισδιάστατο τύπωμα και τέλος η παραγωγή του αντικειμένου. Ουσιαστικά η τεχνολογία του “3D Printing” βασίζεται στη χρήση κάποιων ειδικών σκονών οι οποίες δίνουν υλική υπόσταση στο σχέδιο, ενώ υπάρχει η δυνατότητα να παραχθούν αντικείμενα με διαφορετική πρώτη ύλη ανάλογα με το τι χρειάζεται ο κατασκευαστής.

Συγκεκριμένα τα αντικείμενα που δημιουργεί ο τρισδιάστατος εκτυπωτής μπορεί να είναι είτε από γύψο, είτε από ρητίνη, είτε από πλαστικό, είτε από νάιλον, είτε κάποιο μέταλλο κλπ.

Επίσης η ταχύτητα της παραγωγικής διαδικασίας του τρισδιάστατου εκτυπωτή εξαρτάται από την περιπλοκότητα των αντικειμένων που παράγονται, το πόσο δηλαδή σύνθετη είναι η μορφή τους, ενώ υπογράμμισαν ότι η τεχνολογία του “3D Printing” εξασφαλίζει ότι μπορεί να δοθεί μεγάλη έμφαση ακόμα και στην παραμικρή λεπτομέρεια του αντικειμένου.

Ο μόνος περιορισμός ίσως που θέτει η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι οι διαστάσεις του αντικειμένου, καθώς όταν πρόκειται για πολύ μεγάλο αντικείμενο η “εκτύπωση” γίνεται σε περισσότερες από μία φάσεις και στη συνέχεια τα διαφορετικά κομμάτια συνδέονται.

Ειδικότερα, η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: Αρχικά σχεδιάζεται το αντικείμενο που ενδιαφέρει σε ψηφιακή μορφή και στη συνέχεια γίνεται μετατροπή του αρχείου σε μία μορφή που είναι κατάλληλο για το πρόγραμμα του τρισδιάστατου εκτυπωτή.

Ολοένα και μεγαλύτερη εφαρμογή βρίσκει η τεχνολογία των 3D εκτυπωτών σε τομείς της ιατρικής. Γερμανοί ερευνητές «εκτυπώνουν» βαλβίδες καρδιάς για να τις χρησιμοποιήσουν σε μεταμοσχεύσεις.

Τους τελευταίους μήνες, 3D εκτυπωτές έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την εκτύπωση οργάνων, αιμοφόρων αγγείων αλλά και ναρκωτικών. Σε λίγα χρόνια, όταν 3D εκτυπωτές προχωρήσουν πέρα από τις σημερινές τους δυνατότητες, ποιος ξέρει τι θα είμαστε σε θέση να εκτυπώσουμε.

Με την μέθοδο της τομογραφίας, η οποία χρησιμοποιείται με επιτυχία στην ιατρική, οι ερευνητές σαρώνουν τις φωτογραφίες των βαλβίδων των ασθενών αρχικά σε δύο διαστάσεις. Στη συνέχεια με τη χρήση ενός ειδικού λογισμικού τις υποβάλλουν σε τρισδιάστατα σχέδια. Ο μηχανικός Μπεν Γιάστραμ από την «TU Berlin» εστιάζει στο τρισδιάστατο γράφημα της βαλβίδας καρδιάς. Με το πάτημα μόνο ενός κουμπιού μεγεθύνει την εικόνα. Μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, η εικόνα της βαλβίδας της καρδιάς αρχίζει να παίρνει το μέγεθος μιας φυσικής βαλβίδας, ικανής να συμβάλει στην σωστή κυκλοφορία του αίματος στον οργανισμό. Τα δεδομένα στέλνονται στη συνέχεια στους εκτυπωτές 3D, οι οποίοι χρησιμοποιούν πλαστικά υλικά για να «εκτυπώσουν» τις βαλβίδες καρδιάς. «Η λειτουργία των τρισδιάστατων εκτυπωτών για την παραγωγή των βαλβίδων καρδιάς στηρίζεται σε πολυμερή πλαστικά.» τονίζει ο Μπεν Γιάστραμ.

Βλαστοκύτταρα

Με βάση αυτό το μοντέλο φυσικής βαλβίδας, οι ερευνητές προχωρούν στο επόμενο βήμα, χρησιμοποιώντας ιστό ομφάλιου λώρου για να «εκτυπώνουν» βαλβίδες καρδιάς. «Ο ομφάλιος λώρος έχει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι περιέχει βλαστοκύτταρα» αναφέρει η βιολόγος Λόρα Κούντερς. Από αυτά τα κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν πολλά διαφορετικά ανθρώπινα κύτταρα. Το στοιχείο που κάνει να ξεχωρίζει τα κύτταρα του ομφάλιου λώρου από άλλα κύτταρα του οργανισμού είναι η μικρή τους ηλικία, γεγονός που τα καθιστά αποδεκτά με ευκολία από το ανθρώπινο σώμα κατά τις μεταμοσχεύσεις.

«Η μεγάλη πρόκληση που είχαμε να αντιμετωπίσουμε από βιολογική άποψη είναι με ποιους τρόπους η βαλβίδα καρδιάς που έχει παραχθεί από τους τρισδιάστατους εκτυπωτές μπορεί να εξελιχθεί σε πλήρη ιστό» τονίζει η Κόρα Λούντερς. «Η συγκεκριμένη λύση που προτείνουμε βοηθάει στην καλύτερη κυκλοφορία του αίματος μέσα στο σώμα» αναφέρει η Λούντερς και προσθέτει: «Στο τελικό παραγόμενο αποτέλεσμα υπάρχουν όλα τα στοιχεία που εγγυώνται τη βιωσιμότητα του κυττάρου, όπως οι ηλεκτρολύτες». Μόλις τα κύτταρα αναπτυχθούν στην «εκτυπωμένη» βαλβίδα, αυτή τοποθετείται στο σώμα του ασθενούς και λειτουργεί το ίδιο αποτελεσματικά όπως μία φυσική βαλβίδα καρδιάς.

3D εκτύπωση ανθρωπίνων οργάνων για μοσχεύματα

Η διάγνωση ότι ένας ασθενής χρειάζεται μεταμόσχευση ζωτικού οργάνου, δυστυχώς τις περισσότερες φορές ισοδυναμεί με ανακοίνωση ότι πλησιάζει το τέλος του, καθώς ακόμη και αν βρεθεί συμβατό μόσχευμα από κάποιον δότη, υπάρχει πάντα μεγάλη πιθανότητα το σώμα του ασθενή να το απορρίψει. Ωστόσο, ίσως οι πιθανότητες να γυρίσουν υπέρ των ασθενών αν η Organovo καταφέρει να κάνει πραγματικότητα το όραμα της για τρισδιάστατη εκτύπωση οργάνων κατά παραγγελία (3D-printing).

Η εταιρεία από το San Diego εργάζεται εδώ και μερικά χρόνια επάνω στον τομέα της βιοτεχνολογίας, αποφάσισε να συνεργαστεί με την εταιρεία Autodesk, η οποία έχει κατασκευάσει τον βιολογικό εκτυπωτή Novogen MMX Bioprinter που έχει τη δυνατότητα να δημιουργεί τρισδιάστατο κυτταρικό ιστό σχεδόν πανομοιότυπο με αυτόν που δημιουργεί φυσιολογικά το ανθρώπινο σώμα.

Αυτή η “βιοεκτύπωση” καθιστά δυνατή τη δημιουργία ακριβέστατων και τρισδιάστατων ανθρώπινων ιστών εξολοκλήρου από ζωντανά κύτταρα, που φυσικά είναι ελεγμένα για τη συμβατότητα τους με αυτά του δυνητικού αποδέκτη του μοσχεύματος. Τελικός στόχος είναι η δημιουργία εξατομικευμένων οργάνων με “βιοεκτύπωση” για κάθε ασθενή ξεχωριστά.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η Organovo παράγει ήδη τρισδιάστατο ανθρώπινο ιστό για έρευνα και θεραπευτικές εφαρμογές, αλλά αυτή τη φορά θα συνεργαστεί με την Autodesk για τη δημιουργία του πρώτου λογισμικού τρισδιάστατης “βιοεκτύπωσης” (3D-bioprinting).

Ακούγεται τρομερά ελπιδοφόρο, αλλά σίγουρα θα χρειαστούν μερικά χρόνια μέχρι να δούμε κλινικές μελέτες και πρακτικές εφαρμογές. Εξάλλου, θα πρέπει να μας πουν και ποιο θα είναι το κόστος μιας τέτοιας τεχνολογίας…

Μάτια

Ένα βήμα πιο κοντά στη θεραπεία της τύφλωσης έφτασαν Βρετανοί ερευνητές, οι οποίοι κατάφεραν να εκτυπώσουν για πρώτη φορά κύτταρα ματιού.

Το επίτευγμα αυτό μπορεί να ανοίξει το δρόμο για την εκτύπωση τεχνητού ιστού ως μοσχεύματος, προερχόμενου από μια ποικιλία κυττάρων του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς.

Οι επιστήμονες, με επικεφαλής τον καθηγητή Κιθ Μάρτιν και τη δρα Μπάρμπαρα Λόρμπερ του πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, ανέφεραν πως η τεχνική τους είναι ακόμα στα αρχικά στάδια και χρειάζεται βελτίωση, συνεπώς θα χρειαστούν αρκετές ακόμα δοκιμές σε ζώα, προτού αρχίσουν οι κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους.

Ωστόσο είναι η πρώτη φορά που ένας πιεζοηλεκτρικός εκτυπωτής χρησιμοποιήθηκε διεθνώς για την εκτύπωση ώριμων κυττάρων του κεντρικού νευρικού συστήματος.

Τα κύτταρα που χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτη ύλη εκτύπωσης, μαζί με το σχετικό υγρό, προέρχονταν από τον αμφιβληστροειδή αρουραίων.

Σε επόμενη φάση, οι ερευνητές θα δοκιμάσουν να εκτυπώσουν και άλλα είδη κυττάρων του ματιού, κυρίως τους ευαίσθητους φωτο-υποδοχείς.

Θύμα τροχαίου θα αποκτήσει ξανά πρόσωπο με 3D εκτύπωση

Μία ομάδα βρετανών χειρούργων ετοιμάζεται να πραγματοποιήσει μία πρωτοποριακή επέμβαση που θα αποκαταστήσει τη συμμετρία του προσώπου ενός θύματος τροχαίου με καινούργια κομμάτια που θα τυπωθούν σε εκτυπωτή.

Οι γιατροί, με επικεφαλής το γναθοχειρούργο Adrian Sugar του νοσοκομείου Morriston στο Σουάνσι της Νότιας Ουαλίας, χρησιμοποίησαν την πλευρά του προσώπου που δεν υπέστη βλάβη από το ατύχημα και δημιούργησαν ένα είδωλό της ώστε να πετύχουν τέλεια συμμετρική ανασύνθεση του προσώπου.

Με τη βοήθεια ενός αξονικού τομογράφου και τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, δημιούργησαν τρισδιάστατες εικόνες με τεράστια λεπτομέρεια και σχεδίασαν εμφυτεύματα από τιτάνιο, τα οποία στη συνέχεια θα εκτυπωθούν και θα τοποθετηθούν στα οστά του προσώπου.

Όπως αναφέρει χαρακτηριστικά ο Sugar, «έχουμε καταφέρει να κάνουμε την επέμβαση στην εικονική πραγματικότητα ώστε να μπορέσουμε να την αντιγράψουμε και στην πραγματική ζωή. Δεν μπορείς να κάνεις λάθος σε ένα πρόσωπο.»

Κατά τη διάρκεια της επέμβασης, οι γιατροί θα χρειαστεί να σπάσουν και να κόψουν διάφορα οστά του προσώπου του ασθενούς, αλλά με τη βοήθεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης και των οδηγών που θα έχουν στη διάθεσή τους, θα μπορέσουν να επανατοποθετήσουν τα οστά στη θέση τους με απόλυτη ακρίβεια.

«Αισιοδοξούμε ότι θα καταφέρουμε να αποκαταστήσουμε το 70 με 80% της παραμόρφωσης του προσώπου και θα κάνουμε αυτό τον άνθρωπο να δείχνει πολύ καλύτερα,» πρόσθεσε ο Sugar.

Η επέμβαση αυτή θεωρείται τόσο πρωτοποριακή και ριζοσπαστική που φιλοξενείται ήδη σε έκθεση του Μουσείου Επιστημών του Λονδίνου, παρόλο που δεν έχει πραγματοποιηθεί ακόμα. Ωστόσο, η ημερομηνία διεξαγωγής της επέμβασης δεν έχει αποφασιστεί ακόμα, ενώ κρυφή παραμένει η ταυτότητα του ασθενούς.

3D εκτύπωση εμφυτευμάτων με βιταμίνη Β2

Η ριβοφλαβίνη, μια πορτοκαλί ουσία περισσότερο γνωστή ως βιταμίνη Β2, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για τη δημιουργία βιοσυμβατών εμφυτευμάτων με εκτύπωση τριών διαστάσεων.

Ο διφωτονικός πολυμερισμός

Μια από τις προσεγγίσεις που δοκιμάζονται για την κατασκευή εμφυτευμάτων είναι ο «διφωτονικός πολυμερισμός», στον οποίο ένα λέιζερ στερεοποιεί τοπικά ένα υγρό μείγμα ουσιών, και μπορεί να δώσει έτσι μικρά αντικείμενα μεγάλης λεπτομέρειας (η μέθοδος ονομάζεται έτσι επειδή οι φωτοευαίσθητες ουσίες πρέπει να απορροφήσουν δύο φωτόνια για να αρχίσει η στερεοποίηση).

Το πρόβλημα είναι ότι πολλές από αυτές τις ουσίες του, ή πρόδρομα υλικά του φωτοπολυμερισμού, είναι τοξικά, όπως επισημαίνουν οι ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας και του, του Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας στο Τσάπελ Χιλ και του Κέντρου Λέιζερ του Ανόβερου.

Η χρήση ριβοφλαβίνης αναφέρει, η ερευνητική ομάδα στην επιθεώρηση «Regenerative Medicine», λύνει αυτό το πρόβλημα, καθώς η βιταμίνη είναι μη τοξική και τα αντικείμενα που δίνει είναι απόλυτα βιοσυμβατά.

Η βιταμίνη Β2 θα μπορούσε έτσι να αποτελέσει συστατικό για μικροβελόνες, συσκευές διοχέτευσης φαρμάκων, ακόμα και «σκαλωσιές» πάνω στις οποίες αναπτύσσονται ιστοί για την καλλιέργεια ολόκληρων οργάνων.

Στα επόμενα χρόνια περιμένουμε οι επιστήμονες να κάνουν μικρά θαύματα με την χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης, αναπαράγοντας από ιατρικά εργαλεία και ανθρώπινα όργανα.