Roland Lian Cung Bawi, syn mieszkających w USA birmańskich imigrantów, cierpiał na poważną wadę serca. Chirurg, który na początku tego roku zamierzał operować 14-miesięcznego malca, miał problem z zaplanowaniem zabiegu, ponieważ obrazy uzyskane podczas badania tomograficznego nie dawały jasnego obrazu sytuacji. Na ratunek pośpieszyli specjaliści ze School of Engineering w Louisville, którzy za pomocą drukarki 3D stworzyli powiększony model serca chłopca. Jego wydrukowanie zajęło 20 godzin i kosztowało 600 dolarów. Dzięki modelowi kardiochirurg znalazł optymalny sposób na przeprowadzenie zabiegu i operacja zakończyła się sukcesem.

Medyczny druk 3D stosuje się już także w Polsce. W ubiegłym roku został wykorzystany przy planowaniu operacji przeszczepu twarzy, przeprowadzonej w Centrum Onkologii w Gliwicach. Naukowcy z firmy n-Lab, współpracującej ściśle z Uniwersytetem Śląskim, wydrukowali model czaszki pacjenta i wzór jej docelowego kształtu.

To jednak dopiero początek rewolucji. Druk 3D - czyli nakładanie na siebie kolejnych warstw budulca, dających w efekcie trójwymiarowy obiekt - staje się coraz tańszy i może być wykorzystany na coraz więcej sposobów. Tą metodą wytwarza się już nie tylko plastikowe zabawki czy części urządzeń (w tym takich jak aparaty słuchowe). Lekarze projektują też protezy dla konkretnych pacjentów, a drukowanie tkanek i narządów z żywych komórek, testowane obecnie w laboratoriach, w ciągu kilku lat może trafić do klinik transplantologicznych.

Do serca przyłóż

Jak można precyzyjnie monitorować pracę całego serca u pacjenta albo zaaplikować impulsy elektryczne w wybranych miejscach na jego powierzchni? Na wyzwanie postawione przez kardiologów odpowiedzieli uczeni z Washington University i University of Illinois. Stworzyli giętką membranę, którą można nałożyć na serce (a konkretnie na pokrywające je osierdzie, czyli „worek” z tkanki łącznej). Taką sercową „koszulkę” można wydrukować trójwymiarowo, tak aby pasowała do narządu konkretnego pacjenta. Membrana zawiera elastyczne układy elektroniczne, które mierzą temperaturę, nacisk mechaniczny i EKG. Mogą też pobudzać mięsień sercowy impulsami elektrycznymi. Według badaczy tak właśnie mogą wyglądać w przyszłości rozruszniki serca, a także systemy ostrzegające przed zbliżającym się zawałem u ciężko chorych pacjentów.

Zamiast skóry i kości

Znane porzekadło głosi, że wszyscy mamy jednakowe żołądki. Jednak naukowcy wiedzą, że to nieprawda. Owszem, istnieje ogólny „plan budowy” części naszego ciała, ale u każdego z nas narządy mają różne rozmiary, a czasem nawet kształt. Co więcej, choroba potrafi zmienić je tak, że każda ich „naprawa” wymaga indywidualnego podejścia. I tu z pomocą lekarzom przychodzą najnowsze technologie. Dane z badań obrazowych takich jak rentgen, tomografia czy rezonans magnetyczny można wprowadzić do komputera, by zaprojektować syntetyczne elementy zastępujące to, czego pacjentowi brakuje.

Na własnej skórze przekonał się o tym Eric Moger, 61-letni menedżer restauracji z Wielkiej Brytanii. Kiedy pięć lat temu przygotowywał się do ślubu, wykryto u niego złośliwy nowotwór pod skórą twarzy. W wyniku leczenia stracił większość jej lewej części, łącznie z okiem, kością policzkową i fragmentem żuchwy. Radio- i chemioterapia, które uratowały mu życie, uniemożliwiły wykonanie zabiegów rekonstrukcyjnych z użyciem żywych tkanek. Po czterech latach męczarni Ericowi pomógł Andrew Dawood, chirurg stomatolog, który od pewnego czasu eksperymentował z drukowaniem trójwymiarowych modeli szczęk swoich pacjentów. W efekcie powstała wykonana z tytanu, plastiku i silikonu sztuczna część twarzy. Nie jest idealna, ale dzięki niej pacjent może znów samodzielnie jeść i pić.

 

Tego typu protezy wchodzą już do powszechnego użytku. Na rynku jest wynalazek amerykańskiej firmy Oxford Performance Materials o nazwie OsteoFab, który pozwala na wydruk polimerowych implantów umieszczanych w miejscach ubytku kości. Materiał jest nie tylko odporny i biokompatybilny (czyli dobrze tolerowany przez organizm), ale też tak skonstruowany, że komórki tkanki kostnej mogą rosnąć na jego powierzchni. Dzięki temu implant po prostu zrasta się z kością. Ta metoda jest znacznie mniej uciążliwa i ryzykowna dla chorych niż stosowane dotychczas przeszczepianie im własnych fragmentów kości, pobranych z innych części szkieletu. W ubiegłym roku u amerykańskiego pacjenta chirurdzy zastąpili polimerową protezą aż 75 proc. czaszki. Technika OsteoFab została dopuszczona do użytku w USA, jest też stosowana w Europie, Australii i Ameryce Południowej. Łącznie tą metodą wyleczono już kilkuset pacjentów.

Także i u nas można skorzystać z podobnej terapii. Na terenie łódzkiego Technoparku od trzech lat działa Pracownia Indywidualnych Implantów Medycznych, w której drukowane są modele brakujących kości, np. tych wchodzących w skład oczodołu. Na ich podstawie powstają „szyte na miarę”, zastępujące kości implanty wykonane z tytanowej siatki lub polimeru.

Niektóre zabiegi są refundowane przez NFZ, a skorzystało z nich do tej pory kilkudziesięciu pacjentów.

Rusztowanie na zamówienie

Kolejnym krokiem jest drukowanie protez wzbogaconych o żywe komórki. Taką technologię rozwijają m.in. polscy naukowcy, lekarze i inżynierowie w ramach programu Bio-Implant. Finalny produkt ma służyć do uzupełniania ubytków kości twarzoczaszki (np. żuchwy), utraconych wskutek choroby nowotworowej.

Najpierw z biodegradowalnego polimerowo-ceramicznego materiału drukowane będzie rusztowanie. Jego porowata struktura sprawi, że będzie można umieścić na nim pobrane od pacjenta komórki macierzyste (czyli takie, z których mogą powstać nowe tkanki). Potem wystarczy zapewnić im odżywkę i substancje pobudzające je do wzrostu, by zaczęły się mnożyć i zasiedlać rusztowanie. „Nośnik pełni rolę tymczasowego implantu, wspomaga formowanie się tkanki w miejscu ubytku i rozpuszcza się w miarę, jak powstaje nowa kość” - wyjaśnia „Focusowi” kierujący projektem prof. Wojciech Święszkowski z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Uczeni oceniają, że po wszczepieniu takiego implantu w ciągu roku-dwóch lat rusztowanie zostanie całkowicie zastąpione tkanką pacjenta, a nowa kość będzie równie wytrzymała jak oryginalna.

Jednym z większych wyzwań, przed jakimi stanęli badacze, było opracowanie sposobu na odtworzenie naczyń krwionośnych. „Konieczne jest wspomaganie tego procesu, bo w przeciwnym razie nowa tkanka by obumarła” - mówi prof. Święszkowski.

Są na to dwa sposoby. Implant może być najpierw wszczepiony w mocno ukrwione miejsce, np. pod skórę. Gdy wrosną w niego naczynia krwionośne, byłby przenoszony na miejsce docelowe, a tam chirurdzy łączyliby ze sobą odpowiednie żyły i tętnice. Ten sposób z powodzeniem przetestowano już na zwierzętach. Druga metoda polega na wykorzystaniu substancji zwanych czynnikami wzrostu naczyń. Uczeni sprawdzili już ją w testach laboratoryjnych. „Być może pod koniec tego roku albo na początku przyszłego rozpoczniemy badania kliniczne” - zapowiada prof. Święszkowski.

 

Uczeni zwracają uwagę, że nawet jeśli badania kliniczne się powiodą, to procedura nie będzie tania. Według prof. Święszkowskiego koszt przygotowania komórek pacjenta może początkowo wynieść kilkanaście tysięcy złotych.

Dziób też można

Dzięki drukarce 3D kilka lat temu dziób odzyskała Beauty - samica bielika amerykańskiego ze schroniska dla drapieżników Birds of Prey. Ptak został postrzelony przez kłusownika i nie potrafił samodzienie jeść. Po nagłośnieniu historii Beauty zgłosił się inżynier Nate Calvin, który zaproponował wyprodukowanie protezy na drukarce 3D. Nylonowy dziób umocowany podczas operacji do dziś służy ptakowi. W podobny sposób miał zostać uratowany pingwin z warszawskiego zoo, który utracił kawałek dzioba podczas bójki z kolegą. Do stworzenia protezy początkowo wybrane zostało tworzywo zwane kwasem polimleko- wym (PLA). „Jest w 100 proc. biodegradowalne, lekkie i wytrzymałe, nie reaguje ze środkami dezynfekującymi. Proteza jest gotowa do użytku jakąś minutę po zakończeniu pracy drukarki'- tłumaczy menedżer projektu Bartłomiej Jarkiewicz z firmy MTT Polska. Niestety okazało się, że proteza z PLA jest za twarda, więc nowy dziób pingwina zostanie wyprodukowany z materiałów stomatologicznych. Zoolodzy mają nadzieję, że w przyszłości drukarki 3D posłużą do drukowania innych zwierzęcych „części zamiennych" - Karolina Apiecionek

Drukarka komórkowa

Skoro można stworzyć polimerowe rusztowanie, nanosząc jego poszczególne elementy za pomocą drukarki, to czemu by nie spróbować tego samego z żywymi komórkami? Takie próby są już prowadzone. „Nasze laboratorium robi uszy” - mówi prof. Lawrence Bonassar z Cornell University. Badacze wydrukowali chrząstkę małżowiny usznej, używając biologicznego „tuszu” złożonego z krowich komórek i zawiesiny z kolagenu pobranego od szczurów. W przyszłości naukowcy chcą zastosować materiał biologiczny pobrany od dzieci cierpiących na mikrotię. To rzadkie schorzenie objawia się silnym niedorozwojem małżowiny usznej. Wydrukowany organ byłby wszczepiany w wieku ok. 5 lat, kiedy ucho człowieka osiąga ok. 80 proc. swojej docelowej wielkości. Uczeni podejrzewają, że mogłoby potem nawet urosnąć wraz z całym organizmem. Gdy to się powiedzie, zespół prof. Bonassara zamierza w podobny sposób wytwarzać każdą chrząstkę, jakiej pacjenci mogą potrzebować.

Nie będzie to jednak takie proste. Nawet w przypadku tak nieskomplikowanej tkanki jak chrząstka uczeni trafiają na poważne problemy. Przekonał się o tym prof. Hod Lipson z Cornell University, któremu udało się wydrukować owczą łąkotkę (chrząstkę wchodzącą w skład stawu kolanowego). Gdy pokazał ją chirurgom, stwierdzili, że nie nadawałaby się do przeszczepu, bo jest zbyt słaba. Łąkotka rosnąca w żywym organizmie cały czas „pracuje”, a to ją wzmacnia. Wyhodowanej w laboratorium tkance zabrakło takiego treningu.

Podobne przeszkody stoją na drodze badaczy marzących o drukowaniu skomplikowanych narządów, takich jak wątroba czy serce. „Trudno powiedzieć, kiedy stanie się to możliwe. W tym kierunku wszyscy dążymy, ale jeszcze sporo pracy przed nami. W ciągu kilku lat powinniśmy jednak mieć już do dyspozycji niewielkie fragmenty drukowanych tkanek, przeznaczone np. do testowania nowych leków” - mówi prof. Święszkowski.

Taki produkt jeszcze w tym roku chce zaoferować amerykańska firma Organovo. Będzie to drukowana ludzka tkanka wątroby, przeznaczona do testowania toksyczności leków. To mały skrawek grubości tylko 500 mikronów (co odpowiada 20 warstwom komórek) - za mało, by myśleć o przeszczepie, ale do celów laboratoryjnych w sam raz. „Nasza technologia pozwala na drukowanie szerokiego zestawu tkanek - nie tylko wątroby, ale też płuc, skóry, kości, naczyń krwionośnych, mięśnia sercowego czy nerwów. W ten sposób można też badać rozwój chorób. Udało nam się to już w przypadku raka piersi” - mówi „Focusowi” Michael Renard, wiceprezes Organovo.

 

Tusz na rany

Komórkową zawiesinę można też nadrukować bezpośrednio na żywy organizm - np. w celu wyleczenia głębokiej rany. Pozwala na to eksperymentalny system zbudowany w Wake Forest School of Medicine, przeznaczony do terapii rozległych oparzeń. Najpierw skaner 3D tworzy mapę uszkodzonego obszaru, mierząc powierzchnię i głębokość ubytków. Potem bio- drukarka pokrywa ranę warstwami komórek. Fibroblasty, tworzące tkankę łączną, są umieszczane głębiej, natomiast keratynocyty, z których składa się naskórek - na wierzchu.

Na obecnym etapie prac do uzyskania wystarczającej liczby komórek potrzebny jest skrawek zdrowej skóry pacjenta, który ma powierzchnię odpowiadającą 10 proc. tego, co należy „załatać”. Badacze twierdzą, że w pełni funkcjonalny system będzie dostępny za pięć lat. Na początek mają z niego korzystać żołnierze, ale za jakiś czas technologia ta zapewne trafi także do cywilnych szpitali. Tym bardziej że drukarki 3D stają się coraz doskonalsze i zarazem coraz tańsze.


• DLA GŁODNYCH WIEDZY:

» Łódzka pracownia wytwarzająca implanty kości - www.technopark.lodz.pl

» Polski program badawczy Bio-Implant - www.bio-implant.pl

» Nasza audycja o medycynie regeneracyjnej - http://bit.ly/c20mr