Ερευνητές στο School of Engineering and CÚRAM Research Ireland Centre for Medical Device, στο πανεπιστήμιο του Galway στην Ιρλανδία ανακοίνωσαν μια σημαντική πρόοδο στον τομέα της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης, κατασκευάζοντας με επιτυχία λειτουργικό ανθρώπινο καρδιακό ιστό. Η σημασία του επιτεύγματος δεν έγκειται μόνο στην ικανότητα αναπαραγωγής των δομών του καρδιακού ιστού αλλά και στη λειτουργικότητάς του.
Η έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Advanced Functional Materials περιγράφει την ανάπτυξη βιοεκτυπωμένων τζελ που μιμούνται το μηχανικό, ηλεκτρικό και βιοχημικό περιβάλλον της καρδιάς – ένα ουσιαστικό στάδιο στη δημιουργία βιώσιμου ιστού για αναγεννητικές εφαρμογές και για την ανάπτυξη φαρμάκων και ένα βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη εξατομικευμένων θεραπειών για την καρδιά κάθε ασθενούς.
«Η βιοεκτύπωση χρησιμοποιεί "βιο-μελάνι" δηλαδή, ζωντανά κύτταρα μέσα σε εξειδικευμένα υλικά, το οποίο λόγω των χαρακτηριστικών του, μπορεί να βοηθήσει στον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των κυττάρων κατά την ωρίμανση. Η τεχνολογία είναι πολλά υποσχόμενη για τη δημιουργία οργάνων που καλλιεργούνται στο εργαστήριο, η δομή των οποίων προσομοιάζει πολύ με τη δομή των φυσικών ανθρώπινων οργάνων», σχολιάζει ο Βασίλειος Σέργης, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Δρα Andrew Daly, όπου επιτεύχθηκε η βιοεκτύπωση. Κύρια αρμοδιότητα του Έλληνα επιστήμονα είναι η ανάπτυξη και η κατασκευή τρισδιάστατου εκτυπωτή με δυνατότητα οπτικής ανάδρασης για παρακολούθηση και έλεγχο της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε πραγματικό χρόνο.
Ωστόσο, αν και έχει σημειωθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στη βιοεκτύπωση τα τελευταία χρόνια, η παραγωγή οργάνων με κατάλληλη λειτουργικότητα για εμφύτευση σε ανθρώπινο σώμα εξακολουθεί να παραμένει μια πρόκληση. Για παράδειγμα, στην περίπτωση της καρδιάς, τα βιοεκτυπωμένα καρδιακά κύτταρα (καρδιομυοκύτταρα) δεν χτυπούν με αρκετή ένταση ή δύναμη για να αντλήσουν το αίμα σε όλο το σώμα. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό ότι τα βιοεκτυπωμένα καρδιομυοκύτταρα, που μέχρι τώρα τυπικά προέρχονταν από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα, είναι ανώριμα, με ιδιότητες πιο παρόμοιες με τα νεανικά παρά με τα ενήλικα καρδιομυοκύτταρα.
«Στο σώμα, καθώς η καρδιά μας αναπτύσσεται φυσιολογικά, τα καρδιομυοκύτταρα εκτίθενται σε μηχανικά και ηλεκτρικά ερεθίσματα που τα "εκπαιδεύουν" και τα "διαμορφώνουν" σε μια πιο ώριμη μορφή. Η ενσωμάτωση αυτών των συμπεριφορών σε βιοεκτυπωμένα όργανα είναι και το ζητούμενο», λένε οι ερευνητές.
Οι συμβατικές προσεγγίσεις βιοεκτύπωσης συχνά επικεντρώνονται στην αναπαραγωγή της τελικής μορφής οργάνων, χωρίς να περιλαμβάνονται οι δυναμικοί μετασχηματισμοί που συμβαίνουν κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη. Για παράδειγμα, ενώ η καρδιά ξεκινά ως ένας ευθύς σωλήνας, με την πάροδο του χρόνου κάμπτεται και στρίβει σε μια περίπλοκη δομή τεσσάρων θαλάμων. Αυτές οι δυναμικές αλλαγές σχήματος διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη και στην εξειδίκευση των καρδιακών κυττάρων.
Για να βελτιώσουν τη διαδικασία, οι ερευνητές του Galway εισήγαγαν μια καινοτόμο μέθοδο βιοεκτύπωσης που ενσωματώνει αυτές τις βασικές διαδικασίες μετασχηματισμού. Η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στη χρήση τεχνικών βιοεκτύπωσης που βασίζονται στην εξώθηση για να δημιουργήσει δομημένα τζελ, σχεδιασμένα έτσι ώστε να υποστηρίζουν την ανάπτυξη των καρδιακών κυττάρων. Το βιομελάνι που χρησιμοποιήθηκε μιμήθηκε απόλυτα τις ιδιότητες της εξωκυτταρικής μήτρας, επιτρέποντας τη δημιουργία ιστών που επιδεικνύουν τόσο μηχανική ακεραιότητα όσο και βιολογική λειτουργία. Ο βιοεκτυπωμένος ιστός επέδειξε συγχρονισμένες συσπάσεις καθώς και συμβατότητα με τη μακροπρόθεσμη κυτταρική επιβίωση, υποδηλώνοντας ότι η βιοεκτύπωση θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε ειδικές θεραπείες για κάθε ασθενή με καρδιαγγειακές παθήσεις.
«Η εργασία μας εισάγει μια νέα πλατφόρμα, χρησιμοποιώντας ενσωματωμένη βιοεκτύπωση σε ιστούς που υφίστανται προγραμματιζόμενη και προβλέψιμη 4D μορφοποίηση σχήματος, καθοδηγούμενη από κυτταρικές δυνάμεις. Χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα διαδικασία, διαπιστώσαμε ότι η διαμόρφωση σχήματος βελτίωσε τη δομική και λειτουργική ωριμότητα των βιοεκτυπωμένων καρδιακών ιστών», σχολίασε σε σχετικό δελτίο τύπου η Ankita Pramanick, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και υποψήφια διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Galway.
Η επιστήμονας χρησιμοποίησε για την έρευνά της ένα από τα πρωτότυπα των εκτυπωτών που έχουν αναπτυχθεί στο πλαίσιο του έργου aiPRINT project, που «τρέχει» υπό την καθοδήγηση του Δρα Andrew Daly και του Δρα Karl Mason και στο οποίο συμμετέχει ο Έλληνας επιστήμονας.
Λεζάντα: Η υποψήφια διδάκτορας Ankita Pramanick και ο καθηγητής Andrew Daly. Photo: Aengus McMahon, University of Galway
Βιοεκτυπωμένο όργανο με…. καρδιοχτύπι
Οι βιοεκτυπωμένοι καρδιακοί ιστοί αξιολογήθηκαν για τη συστολική συμπεριφορά, τη βιωσιμότητα των κυττάρων και τη μοριακή τους έκφραση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι θα μπορούσαν να συστέλλονται συγχρόνως-χαρακτηριστικό του λειτουργικού καρδιακού ιστού-μια ικανότητα που είναι κρίσιμη για εφαρμογές στην αναγεννητική ιατρική και για τη δημιουργία μοντέλων ακριβείας στη μελέτη ασθενειών όπως οι μυοκαρδιοπάθειες.
Η έρευνα έδειξε ότι οι δυνάμεις που δημιουργούνται από τα κύτταρα θα μπορούσαν να διαμορφώσουν τους βιοεκτυπωμένους ιστούς, επηρεαζόμενες από παράγοντες όπως η αρχική γεωμετρία εκτύπωσης και η ακαμψία του βιοελαίου. Η μορφοποίηση αποδείχθηκε ότι παίζει βασικό ρόλο στην ευθυγράμμιση των κυττάρων και στη βελτίωση των συστολικών ιδιοτήτων των ιστών. Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα δημιούργησε ένα υπολογιστικό μοντέλο ικανό να προβλέπει τη συμπεριφορά των ιστών κατά τη μορφοποίηση.
«Η έρευνά μας δείχνει ότι μορφοποιώντας τους βιοεκτυπωμένους καρδιακούς ιστούς, αυτοί αρχίζουν να χτυπούν πιο δυνατά και πιο γρήγορα. Η περιορισμένη ωριμότητα των βιοεκτυπωμένων ιστών ήταν μια σημαντική πρόκληση στον τομέα, επομένως αυτό ήταν ένα συναρπαστικό αποτέλεσμα για εμάς. Αυτό μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε πιο προηγμένο βιοεκτυπωμένο καρδιακό ιστό, με δυνατότητα ωρίμανσης σε εργαστηριακό περιβάλλον, αντιγράφοντας καλύτερα τη δομή της καρδιάς ενός ενήλικα. Είμαστε ενθουσιασμένοι που βασιζόμαστε σε αυτήν την προσέγγιση μορφοποίησης στο συνεχιζόμενο έργο “morphoPRINT” του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας, το οποίο επικεντρώνεται στη βιοεκτύπωση εμπνευσμένη από την ανάπτυξη», είπε ο Andrew Daly, Αναπληρωτής Καθηγητής στη Βιοϊατρική Μηχανική και κύριος ερευνητής στο έργο.
Αξίζει να σημειωθεί πως ο Δρ Andrew Daly, το 2022 έλαβε χρηματοδότηση Starting Grant Award ύψους 1,49 εκατομμυρίων ευρώ από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας για να επικεντρωθεί στη δημιουργία δυναμικών βιομελανιών που μπορούν να προγραμματίζουν μορφογενετικές συμπεριφορές σε βιοεκτυπωμένα όργανα για να ενισχύσουν τη φυσιολογική τους συνάφεια.
Μία από τις άμεσες εφαρμογές του βιοεκτυπωμένου καρδιακού ιστού είναι η πιθανή χρήση του στον έλεγχο φαρμάκων. Τα τρέχοντα μοντέλα για τον έλεγχο των καρδιολογικών φαρμάκων βασίζονται συχνά σε ζωικούς ιστούς, οι οποίοι δεν αποτυπώνουν πλήρως την ανθρώπινη καρδιακή βιολογία. Η ικανότητα παραγωγής κατασκευασμένου ανθρώπινου ιστού προσφέρει μια πιο ηθική εναλλακτική λύση, επιτρέποντας στις φαρμακευτικές εταιρείες να ελέγχουν την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των θεραπειών με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Μακροπρόθεσμα, η τεχνολογία θα μπορούσε να συμβάλει στην επίλυση της κρίσης στο πεδίο των μεταμοσχεύσεων εξαιτίας της έλλειψης οργάνων. Ενώ η βιοεκτύπωση πλήρους οργάνου εξακολουθεί να παραμένει ένας μακρινός στόχος, οι εξελίξεις στην κατασκευή λειτουργικού ιστού όπως αυτοί είναι ένας πρόδρομος ζωτικής σημασίας.
Προκλήσεις στην κλινική μετάφραση
Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν προτού μπορέσει να χρησιμοποιηθεί βιοεκτυπωμένος καρδιακός ιστός σε κλινικό περιβάλλον. Η διασφάλιση της ενσωμάτωσης βιοεκτυπωμένων λειτουργικών δομών, η κλιμάκωση της παραγωγής για την κάλυψη κλινικών απαιτήσεων και η αντιμετώπιση ρυθμιστικών εμποδίων θα απαιτήσουν περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη.
«Είμαστε πολύ μακριά από τη βιοεκτύπωση λειτουργικού ιστού που θα μπορούσε να εμφυτευθεί σε ανθρώπους και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την κλιμάκωση της βιοεκτύπωσης ανθρώπινων καρδιών», είπε ο Daly.
«Θα χρειαστεί να ενσωματώσουμε αιμοφόρα αγγεία για να διατηρήσουμε ζωντανά τόσο μεγάλα κατασκευάσματα στο εργαστήριο, αλλά παρόλα αυτά, η ανακάλυψή μας μάς φέρνει πιο κοντά στη δημιουργία λειτουργικών βιοεκτυπωμένων οργάνων, τα οποία θα έχουν ευρείες εφαρμογές στην καρδιολογία», πρόσθεσε.
Εκτός από την ανάπτυξη μιας νέας πλατφόρμας βιοεκτύπωσης, η ομάδα μπόρεσε να προσομοιώσει συμπεριφορές που αλλάζουν σχήμα τόσο σε επίπεδο κυττάρου όσο και σε επίπεδο ιστού χρησιμοποιώντας μοντέλα που μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο οι ίνες μέσα στον ιστό αναδιατάσσονται. Αυτή η ικανότητα σχεδιασμού, πρόβλεψης και προγραμματισμού 4D μορφοποίησης σε βιοεκτυπωμένους ιστούς έχει τη δυνατότητα να μεταμορφώσει τη μηχανική οργάνων. Αντί να εστιάζει αποκλειστικά στην αναδημιουργία του τελικού σχήματος ενός οργάνου, αυτή η προσέγγιση δίνει έμφαση στη μίμηση των φυσικών αναπτυξιακών διαδικασιών που καθοδηγούν τη μορφή, τη δομή και τη λειτουργία του. Αυτή η αλλαγή ανοίγει νέες συναρπαστικές δυνατότητες στη βιοεκτύπωση οργάνων.
Αν και αυτή η μελέτη εστιάζει στον καρδιακό ιστό, οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν έχουν ευρύτερες εφαρμογές στον τομέα της αναγεννητικής ιατρικής. Παρόμοιες προσεγγίσεις θα μπορούσαν να εφαρμοστούν για τη δημιουργία λειτουργικών ιστών και για άλλα όργανα, ανοίγοντας δρόμο στη θεραπεία ασθενειών από την ηπατική ανεπάρκεια έως τον διαβήτη. Η διεπιστημονική φύση αυτής της εργασίας, που συνδυάζει υλικά αιχμής και βιολογία, αναδεικνύει τις δυνατότητες της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης ως μεταμορφωτικής τεχνολογίας στην ιατρική.
