Θα λειτουργούν στο μέλλον «εργοστάσια» που θα παράγουν ανθρώπινα όργανα, τα οποία θα «φιγουράρουν» στα ράφια κλινικών και νοσοκομείων ως κοινά προϊόντα και θα είναι διαθέσιμα ανά πάσα στιγμή για να καλύψουν οποιαδήποτε κλινική ανάγκη;
Αυτό ακριβώς υπόσχεται η ερευνητική ομάδα του ευρωπαϊκού έργου “JointPromise” (από το Precision Manufacturing of Microengineered Complex Joint Implants, Grant agreement ID: 874837) το οποίο συντονίζει ο Έλληνας αναπληρωτής καθηγητής στο
πανεπιστήμιο KU Leuven, στο Βέλγιο, Γιάννης Παπαντωνίου.
«Όσο και αν ακούγεται ουτοπικό δεν απέχουμε πολύ από την πραγμάτωσή του. Πιστεύω πως μέσα στην επόμενη δεκαετία θα αρχίσουμε να έχουμε πρόσβαση σε τέτοιες θεραπευτικές λύσεις, κυρίως για πιο απλούς ιστούς», με διαβεβαιώνει ο ίδιος, ο οποίος έχει ήδη θέσει τις βάσεις για τη μέθοδο που μπορεί να φέρει πραγματική «επανάσταση» αρχικά στην αποκατάσταση μεγάλων τραυμάτων στα ανθρώπινα οστά (σε περιπτώσεις τροχαίων ατυχημάτων για παράδειγμα ή επεμβάσεων αφαίρεσης οστού για απομάκρυνση όγκων) και στη συνέχεια στην παραγωγή άλλων τύπων ανθρώπινων ιστών και οργάνων.
Επί του παρόντος η αποκατάσταση οστικών δυσλειτουργιών στηρίζεται στην παραγωγή «ζωντανών» εμφυτευμάτων που διαθέτουν αναγεννητικές ιδιότητες. Και λέμε «ζωντανά», γιατί είναι ζωντανά κυτταρικά προϊόντα με τη διαφορά ότι παράγονται με τις ίδιες βιολογικές διεργασίες αλλά έξω από το ανθρώπινο σώμα, στο εργαστήριο.
«Η ανάγκη για μοσχεύματα, είτε πρόκειται για μεμονωμένα όργανα, είτε για ολόκληρους ιστούς αυξάνεται καθημερινά. Ανθρώπινα όργανα τραυματίζονται ή εκφυλίζονται λόγω ασθενειών ή λόγω γήρατος αδυνατώντας να ξεκινήσουν ή να υποστηρίξουν μια αναγεννητική διαδικασία. Χρειαζόμαστε λοιπόν ζωντανά εμφυτεύματα, κυτταρικές και αναγεννητικές θεραπείες που να είναι ασφαλείς και προσιτές σε μεγάλο πλήθος ασθενών, αλλά και βιώσιμες ως προϊόντα, ούτως ώστε να αντιμετωπιστεί το μεγάλο πρόβλημα του περιορισμένου αριθμού δωρητών οργάνων και μοσχευμάτων», εξηγεί ο Δρ. Παπαντωνίου συμπληρώνοντας πως το πρόγραμμα JointPromise, που εγκρίθηκε από την ΕΕ στο πλαίσιο του Horizon 2020, με 8 εκατομμύρια ευρώ, έχει συνενώσει τουλάχιστον 60 άτομα από κορυφαίες ερευνητικές ομάδες και εταιρείες που δραστηριοποιούνται στο χώρο (6 εταίρους συνολικά), με συντονιστή το πανεπιστήμιο KU Leuven και με επιστημονικό συντονιστή τον ίδιο.
Πιο συγκεκριμένα, τα ακαδημαϊκά και ερευνητικά ιδρύματα που συμμετέχουν είναι τα: Fraunhofer Institute (Γερμανία), Maastricht University (Ολλανδία), Poietis (Γαλλία), Stem Cell Technologies (Βρετανία), ενώ από την ελληνική πλευρά, το Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΕΧΜΗ/ΙΤΕ).
Τι είναι τα ζωντανά προϊόντα
Όλοι οι ιστοί και κατ’ επέκταση τα όργανα παράγονται από τα αρχέγονα κύτταρα (βλαστοκύτταρα) με μια σειρά μορφογενετικών συμβάντων. Τα βλαστοκύτταρα αναπαράγονται διαρκώς και έχουν την ικανότητα να μετατρέπονται (να διαφοροποιούνται) σε οποιοδήποτε άλλο είδος λειτουργικού κυττάρου και στη συνέχεια ιστού στο σώμα ενός οργανισμού (π.χ. σε μυϊκό, ερειστικό, νευρικό κλπ).
Οι ερευνητές του JointPromise σκέφτηκαν να αξιοποιήσουν εκτός εργαστηρίου την πολύτιμη αυτή βιολογική πρώτη ύλη και να τη χρησιμοποιήσουν ως αφετηρία για την παρασκευή ανθρώπινων ιστών και οργάνων. Και δεν σταμάτησαν εκεί. Επιδίωξή τους
είναι να δημιουργήσουν τεχνολογικές διεργασίες και αυτοματοποιημένο εξοπλισμό που θα επιτρέπουν την αυτοματοποιημένη παραγωγή αυτών σε εργοστάσια του μέλλοντος.
«Τα τραύματα των οστών επουλώνονται μέσω μιας διαδικασίας που θυμίζει αναπτυξιακά συμβάντα τα οποία λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των εμβρυϊκών άκρων. Ως εκ τούτου, υπήρχε, ως μια ισχυρή βιολογική βάση, η διαδικασία μετάβασης ενός πρότυπου χόνδρου σε οστό, που ονομάζεται ενδοχόνδρια οστεοποίηση. Μεταφράσαμε αυτό το αναπτυξιακό πρότυπο σε μια διαδικασία in vitro και δημιουργήσαμε δομές μικρο-ιστών που ονομάσαμε οργανοειδή.
Αυτά τα in vitro τροποποιημένα οργανοειδή, μόλις εμφυτευτούν, είναι σε θέση να μετατραπούν με εντυπωσιακή συνέπεια και προβλεψιμότητα, σε οστό, ανεξαρτήτου κλίμακας, με αποτέλεσμα την αναγέννηση ολόκληρων οστών σε ζωντανά μοντέλα», εξηγεί ο
Έλληνας ερευνητής.
Σύμφωνα με τον ίδιο, αυτή τη στιγμή για να δημιουργηθεί ένας ιστός χρειάζονται 1- 50 δισεκατομμύρια κύτταρα, ανάλογα με το όργανο. Αυτή η διαδικασία μέχρι τώρα λαμβάνει χώρα μέσα στο εργαστήριο χειρωνακτικά και είναι χρονοβόρα.
«Ο στόχος μας είναι να αυτοματοποιήσουμε και εν συνεχεία να εκβιομηχανίσουμε τον τομέα παραγωγής ζωντανών εμφυτευμάτων στο άμεσο μέλλον, έτσι ώστε να μπορούμε να παράγουμε υψηλής ποιότητας εμφυτεύματα και στην απαιτούμενη κλίμακα για να
καλυφθούν οι κλινικές ανάγκες», εξηγεί ο χημικός μηχανικός, ο οποίος είναι και ο πρώτος που κατάφερε να αντιγράψει τη φυσική μέθοδο ανάπτυξης των οστών στο εργαστήριο, αναπτύσσοντας σκελετικούς μικροϊστούς-οργανοειδή.
Η ερευνητική ομάδα του JointPromise φιλοδοξεί μέσα στα επόμενα χρόνια να καταφέρει να ευθυγραμμίσει τεχνολογίες βιοαντιδραστήρων, ρομποτικής, βιοεκτύπωσης σε αυτή την αυτοματοποιημένη γραμμή που θα υποστηρίξει την παραγωγή.
Παράλληλα θα δημιουργηθεί και μια λίστα ποιοτικών χαρακτηριστικών ζωντανών προϊόντων που θα εξασφαλίζει την λειτουργικότητά τους αλλά και την επαναληψιμότητα μέσω “πολύ-ομικών” τεχνολογικών εργαλείων (γονιδιωματική, μεταγραφωματική πρωτεομική, μεταβολομική) και μέσω βιοπληροφορικής- χημειομετρίας με χρήση τεχνολογιών μηχανικής εκμάθησης.
Tailor made οστεοχόνδρινα εμφυτεύματα
Προς το παρόν η ερευνητική ομάδα του JointPromise επικεντρώνεται στη δημιουργία τεχνολογιών για την παραγωγή διαστρωματωμένων οστεοχόνδρινων εμφυτευμάτων που θα καλύψουν τις ανάγκες οστεοχόνδρινων τραυμάτων και οστεοαρθρίτιδας, η
οποία πλήττει περίπου το 25% του ενήλικου ευρωπαϊκού πληθυσμού με σημαντικές κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις.
Η καινοτομία έγκειται τόσο στη χρήση οργανοειδών ως δομικών υλικών για την παραγωγή ζωντανών εμφυτευμάτων, όσο και στη δημιουργία τους σε διαφορετικές βιολογικές φάσεις, δηλαδή με διαφορετική λειτουργικότητα ανάλογα με τη βιολογική φάση.
Ήδη η μέθοδος έχει δοκιμαστεί σε μικρά ζωικά μοντέλα (ποντίκια) και αναμένεται να δοκιμαστεί σε μεγαλύτερα. Η δοκιμή έδειξε ότι τα οστεοχόνδρινα εμφυτεύματα είναι ικανά να αναγεννούν τόσο το χόνδρινο τμήμα του τραύματος όσο και τραυματισμένα υποχόνδρια οστά και να επανασυνθέτουν απολεσθέντα οστικά τμήματα.
Το σημαντικότερο όλων είναι ότι τα κύτταρα για τη δημιουργία των ζωντανών εμφυτευμάτων προέρχονται από το ίδιο το άτομο-δότη, άρα μιλάμε για μια tailor- made, εξατομικευμένη αντιμετώπιση, η οποία διαφέρει από ασθενή σε ασθενή.
«Η αυτοματοποιημένη μονάδα παραγωγής που επιδιώκουμε να δημιουργήσουμε θα επεκτείνεται σε τρείς χώρους. Στον πρώτο χώρο, στο «καθαρό» τμήμα θα παράγονται σε διαφορετικές βαθμίδες τα πρώιμα κύτταρα, στον δεύτερο χώρο θα συντίθενται οι
μικροιστοί-οργανοειδή και στον τρίτο χώρο θα πραγματοποιείται η τρισδιάστατη (3D) βιοεκτύπωση των ζωντανών εμφυτευμάτων.
Οι διεργασίες αυτές θα καθοδηγούνται μέσω ρομποτικού βραχίονα εξασφαλίζοντας μια συστηματική διεργασία υψηλής επαναληψιμότητας», σχολιάζει ο Δρ. Παπαντωνίου, προσθέτοντας πως για να γίνει αυτό θα πρέπει να υπάρχουν ειδικοί χώροι που να επιτρέπουν την μαζική παραγωγή τέτοιων προϊόντων.
Αυτή τη στιγμή η Ευρώπη διαθέτει περίπου 15 τέτοιες υποδομές που βρίσκονται κυρίως σε ευρωπαϊκά κράτη του Βορρά. Σημαντικές τέτοιες υποδομές υπάρχουν και στο Ισραήλ. Επιδίωξη του καθηγητή είναι όχι μόνο η δημιουργία γραμμών παραγωγής ζωντανών προϊόντων, αλλά η ένταξή τους στο οικοσύστημα ενός νοσοκομείου με τη χρήση Τεχνητής Νοημοσύνης.
Με άλλα λόγια στο μέλλον θα μπορεί και θα πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής τέτοιων προϊόντων από τα ίδια τα νοσοκομεία προς όφελος των ασθενών.
Το επιστημονικό πεδίο της μηχανικής ιστών (Tissue engineering), των κυτταρικών θεραπειών και της αναγεννητικής ιατρικής, μέσα στο οποίο δραστηριοποιείται ο Έλληνας χημικός μηχανικός είναι ένα σύγχρονο αναπτυσσόμενο πεδίο.
Το πρώτο κυτταρικό προϊόν με την ονομασία “Ti GENIX” για την αναγέννηση χόνδρου άνοιξε τον δρόμο, ως ένα προηγμένο θεραπευτικό προϊόν, παίρνοντας την έγκριση από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Φαρμάκων (ΕΜΑ) το 2009 και από τότε περισσότερα από 25 προηγμένα θεραπευτικά προϊόντα έχουν εγκριθεί.
«Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αποσαφηνιστεί ότι κυτταρικές θεραπείες μέσω εγκεκριμένων προϊόντων δεν έχουν καμία σχέση με ιατρικές ή ακόμα και αισθητικές παρεμβάσεις έγχυσης βλαστοκυττάρων που δεν βασίζονται σε κλινικές μελέτες», επισημαίνει ο καθηγητής.
Λίγα λόγια για τον Δρα. Ιωάννη Παπαντωνίου
Ο καθηγητής Ιωάννης Παπαντωνίου αποφοίτησε από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, εκπόνησε τη διδακτορική του διατριβή (MPhil και PhD) στο Τμήμα Βιοχημικής Μηχανικής στο University College London (UCL), με υποτροφία του ΙΚΥ (Εθνικό Ίδρυμα Ελληνικών Υποτροφιών) και στη συνέχεια πραγματοποίησε μεταδιδακτορικές σπουδές στη μηχανική σκελετικών ιστών στο KU Leuven, Βέλγιο.
Εργάστηκε ως Ερευνητής Γ’ στο Ινστιτούτο Επιστημών Χημικών Μηχανικών, στο Ίδρυμα Έρευνας και Τεχνολογίας (ΙΤΕ) και από το 2021 είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο τμήμα Ανάπτυξης και Αναγέννησης της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου KU Leuven.
Είναι Επιστημονικός Συντονιστής του Prometheus που αποτελεί μια διατμηματική πλατφόρμα του Leuven R&D που έχει ως στόχο τη μετάφραση ευρημάτων βασικής έρευνας σε βιώσιμες κλινικές λύσεις.
Αναφορές
- Nilsson-Hall, G., Tam W.L., Andrikopoulos, KS., Casas-Fraile L., Voyiatzis GA., Geris, L., Luyten, F.P., Papantoniou, I. (2021). Patterned, organoid-based cartilaginous implants exhibit zone specific functionality forming osteochondral-like tissues in vivo. Biomaterials, doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120820 ), (IF: 15.304)
- Papantoniou I, Nilsson-Hall G, Loverdou N, Lesage R, Herpelinck T, Mendes L, Geris L. (2021) Turning Nature’s own processes into design strategies for living bone implant biomanufacturing: a decade of Developmental Engineering. Advanced Drug Delivery Reviews, doi: https://doi.org/10.1016/j.addr.2020.11.012 , (IF: 17.873)
- Nilsson Hall, G., Mendes, L., Gklava, C., Geris, L., Luyten, F.P., Papantoniou, I. (2020). Developmentally engineered callus organoid bioassemblies exhibit predictive in vivo long bone healing, Advanced Science, doi: 10.1002/advs.201902295 . (IF: 17.521)
