Bioprintelés 3D-ben: valóban lehet szerveket nyomtatni?

A 3D-s emberi szervnyomtatás hírét ta­lán az teszi elképzelhetetlenné (vagy másoknak épp hihetővé), hogy sokaknak már akár otthon is van 3D nyomtatójuk, aminek egy magyar gyártótól való típusát pár százezer forintért is meg lehet vásá­rolni hazai elektronikai áruházakban. Aki szeretne élőben, működés közben is látni, sőt kipróbálni egy ilyen nyomtatót, meg­teheti ezt a Makerspace nevű rendkívüli közösségi térben (www.makerspace.hu), ahol ezen felül akár családi, apa-fia vagy baráti kapcsolatokat erősítő, formáló, infor­matikai képzettséget növelő közös munka is várja a látogatókat.

A hír csak részben igaz: nem lehet jelenleg az élővel egyenértékű, beülte­tésre alkalmas, működő emberi szerveket 3D-ben kinyomtatni. Vagyis, nincsenek még ezzel a megoldással megmentve pél­dául a szervátültetésre várók. Az elneve­zés sem teljesen helyes, 3D-s bioprintelés a korrekt elnevezés, ami megkülönbözteti a műveletet a szervetlen tárgyak – jóval egyszerűbb – 3D-ben való kinyomtatásá­tól. Az is eltérő, hogy az élő, sejtekből álló szervek nyomtatásakor van egy ún. poszt­print stádium is. Azaz a nyomtatással nem fejeződik be a folyamat.

Mi lehetséges jelenleg? Eszméletlen, ami megoldható: tudnak pár centiméteres, működő szervdarabokat (leginkább májat, vesét, bőrt) nyomtatni. A bioprintelés lé­nyege, hogy például humán májsejtekből (akár bioptátumból) kiindulva ún. biotintát állítanak elő. Ezek cseppecskék – maradva a májnál, tele májsejtekkel –, és technikától függően különböző extracelluláris mátrix­nak megfelelő molekulákkal (pl. zselatin-fibrinogén hálózat). A printelés során a májcseppecskéket egy rétegben lerakják, majd erre a rétegre egy újabb sor jön, és több sor kerül végül egymásra.¹ Mind ez idáig a printelt szervnagyságot limitáló tényező az, hogy erek nincsenek a szervben, csak májszövet, így a tápanyag diffúzióval tud átjutni sejtről sejtre. Technikai megoldások­kal azt már el tudják érni, hogy az emberi szervezetben a sejtek között lévő diffúziós távolság nagyobb legyen, így 1 mm-es máj már rutinszerűen előállítható.

Ebben egy amerikai – kisrészt magyar kötődésű – startup jár elöl, az Organovo, mely szervek előállításával foglalkozik (http://organovo.com/). A magyar kötődés azt jelenti, hogy a jelenlegi szervprintelésük Forgács Gábor (Missouri Egyetem, Colum­bia) kutatásain alapul. Ez a cég képes 1 mm-es működő emberi májat nyomtatni, és idén vesét is printelnek már. Ez a youtube-on elérhető videó az Organovo 3D-bioprint elvét mutatja be: https://www.youtube. com/watch?v=mE-ZcT6Opzw.

A legnagyobb kihívás eddig az volt, hogy nem tudtak keringést biztosítani a szervnek. A valóságban a kapillárisok behálózzák a szerveket, csak pár száz mik­ronnyi távolságban vannak egymástól. Ez az ún. diffúziós távolság, amelyen belül a keringéssel oda- vagy elszállított anyag sejtről sejtre jut (diffundál) az érből, illet­ve az érbe. A 3D technikák ezt a diffúziós távolságot meg tudták növelni, de ez csak apró (1 mm-es) működő szervek printelését teszi/tette lehetővé. A diffúziós távolság növelhetőségének ténye azonban óriási jelentőséggel bír.

Nagy előrelépés lenne bonyolultabb szervek nyomtatása. Ilyen lehetne például maga az ér. Ennek első lépését oldot­ta meg a Cytograft Tissue Engineering cég. A Cytograft 7 cm hosszú érdarabot is képes volt előállítani, és ilyet már több beteg emberbe sikeresen be is ültettek, megelőzve az alsó végtagi amputációt (a betegeknél nem volt más érpótlási lehetőség a végtag megmentésére). Tu­domásom szerint a cég anyagi okok miatt meg fog szűnni (jelenleg a honlap nem elérhető). Már 2011-ben három dializált cukorbeteg kapott tőlük „ready-to-use” eret, melyet akkor még donor bőrsejtek­ből állítottak elő úgy, hogy a sejtekkel egy hálós szerkezetet vontak be, amit azután mintegy összegöngyöltek, kialakítva így az eret a lumennel – de ez még nem volt printelés, hanem a sejtek a hálóba nőttek bele (lásd a videót: https://www.youtube. com/watch?v=LKse75k_new). Ez azonban nagyon drága módszer, amit talán helyet­tesít majd az olcsóbb érbioprintelés.

Az ér nyomtatása a lumen kialakítá­sának nehézségén túl azért is bonyolult, mert az érfal háromféle sejtből áll: a lu­ment belülről endotélsejtek bélelik, majd a simaizomsejtek, és végül a fibroblasztok következnek. Ha ezeket mintegy ömlesztve kinyomtatjuk, és folyamatos folyadékáram­lást is indukálunk közöttük (a véráramlást imitálva), akkor a három sejtféleség elfog­lalja a megfelelő helyét az érben, és valódi eret alakít ki. Ez még nagyban, önmagá­ban az eret printelve – tudomásom szerint – nem sikerült, de kicsiben, mintegy ka­pillárisokat kialakítva már igen. A 7 cm-es nagyság pedig egyelőre álom.

Ez lényegi kérdés, mert a kinyomtatott szerv nagyságát csak az erezettség kialakí­tásával lehet növelni. Korábban két eltérő, de sikeres megoldás született, mely ezt megoldotta, de mindkét munkacsoport csak 1-2 mm-es vaszkularizált szervet tu­dott nyomtatni; 2016 márciusában egy újabb megoldással azonban már 1 cm-es élő és jól vaszkularizált szervet printeltek. Nagyon leegyszerűsítve, a biotintában az adott printelni kívánt szerv sejtjei mellett humán mezenchimális őssejtek, humán neonatális dermális fibroblasztok és hu­mán köldökvéna endoteliális sejtek voltak együtt nyomtatva. Egyebek mellett külön­böző növekedési faktorokkal perfundálták a printelt szervet, melyek hatására megtör­tént annak vaszkularizációja.² Ezzel immár 1 cm-es vagy kissé nagyobb szerveket le­het nyomtatni.

A sejtkultúra csak egy sejtsort tartal­maz, míg a 3D nyomtatással előállított szövetdarab már látható térfogattal és az eredetivel egyező működéssel bír, és jóval hosszabb életű. Mire jó ez jelen­leg? Gyógyszervizsgálatokban az idő és a gyógyszerfejlesztési pénz megspóro­lása mellett jelentős szakmai előrelépést jelent a bioprintelt élő és működő emberi máj használata. Az ígéretes gyógyszert az állatkísérletekben való sikeres alkalma­zást követően, még az I. klinikai fázis előtt, humán sejtkultúrákon tesztelik. Ehelyett, a nyomtatott májat olyan folyadékba he­lyezve, amely tartalmazza a gyógyszert, a valóságos körülményekhez nagyon ha­sonló környezetben lehet tesztelni azt, hogy károsítja-e az anyag a májat. Ez sejt­kultúrában, annak rövid élete miatt csak akut mellékhatást (toxicitást) tud igazolni. A máj épségét a működésén keresztül lehet vizsgálni, pl. az albumint szintetizáló képes­ségét lehet mérni: a folyadékban megmérik az albuminkoncentráció változását, s ha az csökken, akkor a vizsgálati gyógyszer adott koncentrációban májkárosító. De beteg­ségek modellezésére, a szöveti gyógyulás vizsgálatára is alkalmas egy kinyomtatott szerv. És talán nincs messze az sem, amikor szervpótlás történhet a beteg még ép máj­szövetéből kinyert sejtek felhasználásával. Ez a végső cél. Lehet, hogy a printelt máj nem lesz ugyanolyan alakú és nagyságú, de ha a működést át tudja venni, akkor megoldást jelent.

Levelezési cím: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Irodalom:
1. Gu BK, Choi DJ, Park SJ, Kim MS, Kang CM, Kim CH. 3-dimensional bioprinting for tissue engineering applications. Biomater Res 2016;20:12
2. Kolesky DB, Homan KA, Skylar-Scott MA, Lewis JA. Three-dimensional bioprinting of thick vascularized tissues. Proc Natl Acad Sci USA 2016;113:3179–3184