Περισσότερα από 12,7 εκατομμύρια άτομα παγκοσμίως βρίσκονται σε λίστα αναμονής για μεταμόσχευση κερατοειδούς. Αυτά τα άτομα παλεύουν με μερική ή ολική απώλεια όρασης λόγω ασθενειών, τραυματισμών ή λοιμώξεων του διαφανούς μπροστινού στρώματος του ματιού που είναι υπεύθυνο για την εστίαση του φωτός. Ο κερατοειδής δεν αναγεννάται φυσικά μετά από βλάβη, και παραδοσιακά η λύση είναι η μεταμόσχευση.
Ωστόσο τα μοσχεύματα είναι περιορισμένα, ειδικά σε αναπτυσσόμενες χώρες και αυτό δεν οφείλεται σε απροθυμία για δωρεά. Στην πραγματικότητα, ακόμη και μεταξύ εκείνων που επιλέγουν να δωρίσουν κερατοειδείς, μόνο ένα κλάσμα των μοσχευμάτων πληροί τα αυστηρά ιατρικά πρότυπα για μεταμόσχευση. Αυτό δημιουργεί ένα τεράστιο χάσμα μεταξύ του αριθμού των ανθρώπων που χρειάζονται μεταμοσχεύσεις κερατοειδούς και εκείνων που μπορούν πραγματικά να υποβληθούν σε μία.
Τη λύση έρχεται να δώσει το έργο KeratOPrinter (από το «kerato» του κερατοειδή και το «printer»), μια χρηματοδοτούμενη από την ΕΕ ερευνητική πρωτοβουλία ύψους 8 εκατομμυρίων ευρώ για την ανάπτυξη ενός πλήρως λειτουργικού, βιοσυμβατού ανθρώπινου κερατοειδούς πλήρους πάχους, χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης. Το έργο Keratoprinter στοχεύει να προσφέρει μια προσβάσιμη, κλιμακούμενη λύση, επιτρέποντας την τοπική παραγωγή κερατοειδικών μοσχευμάτων σε νοσοκομεία και ερευνητικά εργαστήρια.
Η 42μηνη ερευνητική πρωτοβουλία συγκεντρώνει 9 εταίρους από 5 χώρες της ΕΕ (Φινλανδία, Γερμανία, Ισπανία, Ολλανδία και Ιρλανδία), συμπεριλαμβανομένων ερευνητικών ιδρυμάτων, κλινικών κέντρων και εταιρειών που ειδικεύονται σε βιοϋλικά, οπτικά και βιοκατασκευές. Χρηματοδοτούμενο στο πλαίσιο του προγράμματος Horizon Europe, το έργο ξεκίνησε επίσημα τον Ιανουάριο του 2023 και συντονίζεται από το Γερμανικό Ινστιτούτο Fraunhofer για την Εφαρμοσμένη Έρευνα Πολυμερών (IAP). Της διεθνούς αυτής ερευνητικής κοινοπραξίας ηγείται η καθηγήτρια Heli Skottman από το πανεπιστήμιο Τάμπερε της Φινλανδίας, η οποία διαθέτει μια πολυετή εμπειρία στην αναγεννητική ιατρική και τη βιολογία του ματιού.
Με μικροσκοπική ακρίβεια…
Το Keratoprinter είναι ένα εξειδικευμένο σύστημα τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης (με αρθρωτό βιοεκτυπωτή) σχεδιασμένο να αναπαράγει την κυρτή, πολυστρωματική και σταθερά μηχανική δομή του ανθρώπινου κερατοειδούς, χρησιμοποιώντας φυσικά βιοϋλικά όπως το κολλαγόνο. Περιλαμβάνει επίσης τη σύνθεση βιολογικών μελανιών που προέρχονται από βιοσυμβατά με τον άνθρωπο υλικά, βελτιστοποιημένα για εξώθηση. Ανάλογα ψηφιακά εργαλεία επιτρέπουν την προσαρμογή στις ανάγκες του κάθε ασθενούς χρησιμοποιώντας τοπογραφικά δεδομένα κερατοειδούς.
Το σύστημα λειτουργεί μέσω μιας ροής εργασίας βιοεκτύπωσης με βάση την ανατροφοδότηση, συνδυάζοντας απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο, παρακολούθηση μέσω αισθητήρων και αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να διασφαλιστεί η ακρίβεια και η επαναληψιμότητα σε όλη τη διαδικασία κατασκευής του ιστού. Το KeratOPrinter στοχεύει στην αναπαράσταση της δομής, του πάχους και της λειτουργίας ενός ανθρώπινου κερατοειδούς με μικροσκοπική ακρίβεια.
Η διαδικασία ξεκινά με τον προγραμματισμό βλαστοκυττάρων, ώστε να εξελιχθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων του κερατοειδούς. Αυτά τα κύτταρα στη συνέχεια συνδυάζονται με ειδικά διαμορφωμένα βιομελάνια που έχουν σχεδιαστεί για να αναπαράγουν τις βιομηχανικές και οπτικές ιδιότητες του φυσικού ιστού του κερατοειδούς.
Ο κερατοειδής βιοεκτυπώνεται στρώση προς στρώση με ακριβή έλεγχο της καμπυλότητας και της ευθυγράμμισης των κυττάρων και μόλις εκτυπωθεί υποβάλλεται σε μετεπεξεργασία σε εξειδικευμένους επωαστήρες που διατηρούν βέλτιστες συνθήκες ωρίμανσης μέχρι να είναι έτοιμος για μεταμόσχευση. Ολόκληρο το σύστημα ελέγχεται με τεχνητή νοημοσύνη, η οποία αξιολογεί αυτόματα τη δομική ακεραιότητα, την οπτική διαύγεια και τη λειτουργική ισχύ κάθε εκτυπωμένου κερατοειδούς εξασφαλίζοντας συνεπή και υψηλής ποιότητας αποτελέσματα.
Σε αντίθεση με προηγούμενες προσπάθειες, το KeratOPrinter δεν εκτυπώνει μόνο το επιφανειακό στρώμα (επιθήλιο), αλλά ολόκληρο το όργανο μέχρι το εσωτερικό του στρώμα (ενδοθήλιο), αναπαράγοντας την πλήρη βιολογική του λειτουργία, σύμφωνα με το πρωτόκολλο Ορθής Παρασκευαστικής Πρακτικής (GMP) που το καθιστά κατάλληλο για άμεση κλινική εφαρμογή.
Αυτό όμως που ξεχωρίζει το KeratOPrinter είναι η βιοσυμβατότητα. Το ανθρώπινο μάτι είναι απίστευτα ευαίσθητο και οι παραμικρές ανοσολογικές αντιδράσεις μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές επιπλοκές μετά τη μεταμόσχευση. Οι εκτυπωμένοι κερατοειδείς του KeratOPrinter βασίζονται σε τρείς νέους τύπους βλαστοκυττάρων (iCE, iCS και iCEn) που ενισχύουν την αποδοχή μοσχεύματος και μειώνουν την ανοσολογική απόρριψη.
Κάθε κερατοειδής υποβάλλεται σε αυστηρές δοκιμές in-vitro για να επιβεβαιωθεί ότι πληροί το χρυσό πρότυπο του φυσικού κερατοειδικού ιστού. Μετρώνται η οπτική διαύγεια, η αντοχή σε εφελκυσμό, η κατακράτηση υγρασίας και η μετάδοση του φωτός.
Επιπλέον, οι εκτυπωμένοι κερατοειδείς διατηρούνται σε φορητές θερμοκοιτίδες υψηλής τεχνολογίας με ρύθμιση CO₂ και θερμοκρασίας, που διασφαλίζουν ότι ο ζωντανός ιστός παραμένει υγιής και βιώσιμος κατά τη μεταφορά από το εργαστήριο στην κλινική - μια σημαντική αναβάθμιση σε σχέση με την παραδοσιακή εφοδιαστική αλυσίδα ιστών δότη.
Έτοιμη για έγκριση..
Η ομάδα του KeratOPrinter προετοιμάζεται ενεργά για κανονιστική έγκριση στην ΕΕ, διεξάγοντας προκλινικές δοκιμές σε εργαστηριακό περιβάλλον, επικυρώνοντας την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των βιοεκτυπωμένων κερατοειδών, εξασφαλίζοντας εγκρίσεις από το συμβούλιο δεοντολογίας για δοκιμές σε ανθρώπους και συνεργαζόμενη με νοσοκομεία για την έναρξη πιλοτικών διαδικασιών μεταμόσχευσης.
Με αυτά τα θεμελιώδη βήματα σε κίνηση, το έργο στοχεύει στην αξιοποίηση του ρυθμιστικού συστήματος ταχείας διαδικασίας της ΕΕ για ιατροτεχνολογικά προϊόντα, ενδεχομένως επιταχύνοντας το χρονοδιάγραμμα για την κλινική διαθεσιμότητα. Εάν είναι επιτυχή τα βήματα, οι βιοεκτυπωμένοι κερατοειδείς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικούς ασθενείς μέσα στα επόμενα 3 έως 5 χρόνια.
Η πλατφόρμα KeratOPrinter δεν είναι απλώς ένα εργαλείο για τους επιστήμονες, είναι μια προσέγγιση που θα αλλάξει εντελώς τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζεται η τύφλωση, ανοίγοντας τον δρόμο για μελλοντικές ανακαλύψεις στην αναγεννητική οφθαλμολογία. Η ίδια τεχνολογία πιθανώς θα μπορούσε να προσαρμοστεί για την εκτύπωση μοσχευμάτων αμφιβληστροειδούς για τη θεραπεία της εκφύλισης της ωχράς κηλίδας, λόγω ηλικίας και για την αποκατάσταση σοβαρών τραυμάτων στα μάτια και στους ιστούς του σκληρού χιτώνα.
Το Keratoprinter ακολουθεί μια αυξανόμενη παγκόσμια προσπάθεια για την αντιμετώπιση της τύφλωσης του κερατοειδούς χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθόδους βιοεκτύπωσης. Το 2018, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Newcastle έγιναν οι πρώτοι που εκτύπωσαν 3D ανθρώπινους κερατοειδείς χρησιμοποιώντας ένα βιομελάνι φτιαγμένο από βλαστοκύτταρα, αλγινικό οξυ και κολλαγόνο. Ακολούθησαν προσπάθειες για τη δημιουργία 4D κερατοειδών που καμπυλώνουν αυτόματα, επιτρέποντας την ακριβέστερη δομική αναπαραγωγή του φυσικού ιστού.
Οι ερευνητές έκτοτε έχουν διευρύνει τα όρια της βιοεκτύπωσης κερατοειδούς μέσω κλινικών δοκιμών και ανάπτυξης υλικών. Το 2022, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Οφθαλμολογίας LV Prasad της Ινδίας, σε συνεργασία με το IIT Hyderabad και το Κέντρο Κυτταρικής και Μοριακής Βιολογίας (CCMB), δοκίμασαν με επιτυχία τον πρώτο 3D εκτυπωμένο κερατοειδή της χώρας σε κουνέλια, θεωρώντας τον ασφαλή για δοκιμές σε ανθρώπους. Τούρκοι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει τεχνητό κερατοειδή κατάλληλο για μεταμόσχευση χρησιμοποιώντας 3D βιοεκτύπωση με εξώθηση.
