01. siječanj 2021.

BIOPISAČI - 3D saveznici u razvoju cjepiva i organa

Razvoj biopisača, naravno, zahtjevan je i nije jeftin, otvara neka etička pitanja, ali ulijeva nadu da će olakšati ili spasiti život pacijentima kojima su zakazali organi

Startup Clecell iz Seoula u Južnoj Koreji osnovan je prije tri godine bavi se istraživanjem i razvojem umjetnog tkiva, a početkom 2020. godine kreirao je respiratorni epitel koristeći se svojim 3D biopisačem U-FAB i ostalom tehnologijom biootiska. Čim je vijest objavljena, za njegov model respiratornog epitela za in vitro istraživanje zanimanje su pokazali američki znanstvenici. Početkom travnja ove godine Choi Fong Cho, docentica neurokirurgije na Medicinskom fakultetu Harvard, tražila je informacije o Clecellovu modelu respiratornog epitela stvorenog tehnologijom bioispisa.

Tkivno inženjerstvo

Cho proučava učinak SARS-CoV-2 na krvožilni sustav kroz koji virus putuje tijelom, za što treba stvoriti in vitro platformu za testiranje koja oponaša ljudsko plućno tkivo putem Clecellove otopine za bioispis. Osim U-FAB biopisača, Clecell ima još dvije platforme za biotisak: U-Printer za razvoj umjetnih tkiva i organa i U-Skin za rekonstrukciju umjetnih modela ljudske kože.

– Stvaranje preciznih umjetnih respiratornih modela putem tehnologije 3D bioisopisa nudi potencijalnu alternativu – rekao je Young Jae Cho, profesor na Odjelu za pulmologiju u bolnici Bundang na Nacionalnom sveučilištu Seoul komentirajući Clecellovu platformu.

Prije pojave tkivnog inženjerstva medicinska istraživanja obavljala su se na životinjama, što nije uvijek davalo željene rezultate zbog toga što, prema riječima Choi Fong Cho, postoje brojne razlike između dišnog sustava miša i čovjeka.

– Cilj nam je upotrijebiti ljudske plućne i vaskularne stanice i stvoriti funkcionalni model ljudskoga dišnog sustava koji može oponašati i reproducirati karakteristike i funkcije organa u tijelu. Te se stanice mogu uzgajati na umjetnoj podlozi koja nalikuje plućnom okružju, što bi omogućilo proučavanje njihova ponašanja i ispitivanje kako SARS-CoV-2 utječe na dišni sustav – rekla je Cho, koja zajedno sa Seung-Schik Yoom, profesorom radiologije na Harvardu, radi na stvaranju zamjenskog tkiva pluća.

– Dišni i krvožilni sustav usko surađuju, što znači da su plućna tkiva jako vaskularizirana. Planiramo upotrijebiti naš bioispisani model za testiranje infekcije COVID-a i proučavanje kako ona može utjecati na ove sustave – napominje Cho.

Nove vrste

Cho i Yoo namjeravaju upotrijebiti model za testiranje primjene antivirusnih lijekova, no najprije žele vidjeti hoće li antivirusni tretman primijenjen na plućnom tkivu uništiti infekciju i utvrditi da virusna infekcija uzrokuje ponašanje krvnih žila. Znanstvenici Clecella dali su Cho uvid u proizvodni protokol njihova modela tkiva dišnih puteva, a Bongsun Kim, glavni direktor marketinga Clecella, poručio je da će ta tvrtka razviti plućno tkivo komercijalnog biootiska, ali sad joj je primarni fokus na demonstriranju njihova 3D biopisača U-FAB s 15 višekanalnih glava koje istodobno ili uzastopno ispisuju 15 vrsta biomaterijala i stanica te se višestruko mogu ispreplesti na složenim tkivima za bioispis.

– U-FAB nudi izdavanje i umrežavanje biomaterijala skele koji omogućuju izgradnju 3D, višeslojne strukture ne samo srednje i visoke viskoznosti, već i biomaterijala niske viskoznosti. Korištenje biomaterijala niske viskoznosti, koji se ne mogu izdati uobičajenim tiskom na osnovi ekstruzije, otvara put za proizvodnju novih vrsta biološkog tkiva – pojasnio je Kim.

Sintetički limfni čvorovi

Clecell razvija i modele kože za dijagnostičku medicinu primjenjive za proizvodnju kozmetike, učinkovitost lijekova, toksičnost i testiranje na viruse. Također planira izraditi organoidne i regenerativne modele kože za implantaciju. Zbog svega toga Clecell planira postati pokusno mjesto za istraživanje virusa SARS-CoV-2 odgovornog za bolest COVID-19, kao i za istraživanje mehanizama raznih drugih virusa.

No Clecell nije jedina tvrtka koja pomaže znanstvenicima u pronalasku cjepiva protiv koronavirusa. Kanadska biotehnološka tvrtka Novoheart Holdings u svojem je laboratoriju u Irvineu u Kaliforniji razvila ljudsku ventrikularnu srčanu organoidnu komoru nazvanu 3D 'srce u tegli', koja se upotrebljava za testiranje učinaka tretmana na srcu. Prellis Biologics iz San Francisca napravio je sintetičke limfne čvorove koji su stvorili antitijela specifična za virus kad su izazvani otopinom sličnom cjepivu za SARS-CoV-2, a tvrtka Viscient Biosciences iz San Diega bavi se bioispisom plućnog tkiva radi istraživanja zaraznosti.

U medicini 3D ispis nije novost, u to je područje ušao tehnologijom biomodeliranja, a Hrvatska je jedna od rijetkih zemalja u kojima se (već više od deset godina) 3D ispis upotrebljava u kirurgiji, zahvaljujući doc. dr. Svenu Maričiću, voditelju Centra za biomodeliranje i inovacije u medicini na Medicinskom fakultetu Sveučilišta u Rijeci i pomoćniku rektora za razvoj novih tehnologija na Sveučilištu u Puli. No bioispis zamjenskih organa razlikuje se od izrade implantata jer mu je temelj biotinta, tekućina živih stanica. Naime, biopsijom tkiva bolesnog organa izdvajaju se zdrave stanice koje se regeneracijom umnožavaju i nastaje odgovarajući organ koji tijelo neće odbaciti kao što se to često događa prilikom presađivanja darovanih organa.

Bioaktivne podloge

Poput svjetskih i hrvatski znanstvenici rade na razvoju bioispisanih organa. Jedan od njih je prof. dr. sc. Hrvoje Ivanković s Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu, koji od 2017. vodi projekt 'Razvoj biokompatibilnih materijala na temelju hidroksiapatita za primjene u inženjerstvu koštanog tkiva'. Riječ je o HATEA projektu koji financira Hrvatska zaklada za znanost i koji će završiti 2021., a kojemu je cilj razviti i potvrditi nove biokompatibilne materijale na bazi hidroksiapatita (HAp) za primjenu u inženjerstvu koštanog tkiva.

Profesor Ivanković ističe da se u okviru toga projekta razvijaju 3D porozni kompozitni nosači na temelju hidroksiapatita za primjene u inženjerstvu koštanog tkiva te istražuju kompozitni materijali s poroznom hidroksiapatitnom matricom, s poroznom polimernom matricom i nastalim hidroksiapatitom in situ, te kompoziti na temelju hidroksiapatita i titanija. Riječ je o tkivnom inženjerstvu, novom i brzorastućem području istraživanja fokusiranom na razvoj bioaktivnih podloga za rast stanica i stvaranje novog tkiva. Idealne podloge za stvaranje novog tkiva su visoko porozni materijali s međusobno povezanim porama, koji omogućuju stvaranje krvnih žila, prijenos hranjivih tvari, kisika i metaboličkog otpada. Površinska svojstva podloge moraju biti pogodna za prianjanje, umnažanje i diferencijaciju stanica te imati odgovarajuća mehanička svojstva i postupno se resorbirati kontroliranom brzinom razgradnje koja odgovara stvaranju novog tkiva.

Za primjene u inženjerstvu koštanog tkiva intenzivno se istražuju hidroksiapatitne podloge zbog kemijske i strukturne sličnosti s anorganskom matricom prirodne kosti jer su izvrsne osteoprovodnosti, odnosno stvaranja novoga koštanog tkiva i bioaktivnosti.

Koštane skele

Izazov inženjerstva koštanog tkiva je razviti koštane skele koje omogućuju dobru integraciju s okolnim tkivima. Da bi se prevladali nedostaci poput loših mehaničkih svojstava, HAp je kombiniran s polimerima i metalima. Studije hrvatskih istraživača in vitro na kulturi stanica pokazale su da skele nisu toksične te da pružaju odgovarajuću 3D potporu za vezivanje, proliferaciju i diferencijaciju stanica MC3T3-E1. Profesor Ivanković ističe da je ovaj projekt pokazatelj da hrvatska znanost ide ukorak sa svjetskom kad je riječ o bioispisu te da bi razvoj novih skela temeljenih na HAp-u mogao imati pozitivne učinke u liječenju i zacjeljivanju oštećenih kostiju, poboljšavajući kvalitetu života pacijenata s ozljedama kostiju i starijih osoba. Osim toga, ovim istraživanjem bit će omogućena i nova primjena skela u istraživanju matičnih stanica.

– Što se tiče 3D ispisa u medicini to nije problem nego materijali koji će se bioprintati. Njih treba razvijati, ali neće se printati cijeli organi nego samo podloge na kojima će se organi uzgajati. Radim na razvoju tih materijala i postigli smo dobre rezultate in vitro u prvoj fazi, ali stao sam na drugoj fazi. Vrlo je skupa i testira se na životinjama, a budući da ne postoji zakonska regulativa nisam dobio dozvolu etičkog povjerenstva za nastavak istraživanja – zaključuje Ivanković.