Ιστορικό επίτευγμα: Πραγματοποιήθηκε η πρώτη 3D εκτύπωση ιστών νεφρού και ήπατος στο Διάστημα

Σύνοψη

• Η Auxilium Biotechnologies ολοκλήρωσε επιτυχώς την πρώτη 3D βιοεκτύπωση ανθρώπινων ιστών νεφρού και ήπατος σε συνθήκες μικροβαρύτητας.
• Η απουσία βαρύτητας επιτρέπει τη δημιουργία πολύπλοκων, τρισδιάστατων κυτταρικών δομών χωρίς τη χρήση εξωτερικού υποστηρικτικού πλαισίου (scaffolding).
• Το επίτευγμα αποτελεί θεμελιώδες βήμα για την ανάπτυξη βιώσιμων οργάνων προς μεταμόσχευση, παρακάμπτοντας τους φυσικούς περιορισμούς της Γης.
• Παράλληλα, η τεχνολογία αυτή θέτει τις βάσεις για την αντιμετώπιση ιατρικών έκτακτων αναγκών σε μελλοντικές διαστημικές αποστολές μακράς διάρκειας.

Η Auxilium Biotechnologies πέτυχε την πρώτη επιτυχημένη τρισδιάστατη βιοεκτύπωση λειτουργικών ιστών νεφρού και ήπατος στο Διάστημα. Το πείραμα, το οποίο διεξήχθη σε συνθήκες μικροβαρύτητας σε χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit - LEO), αποδεικνύει ότι η διαστημική κατασκευή βιολογικών υλικών μπορεί να ξεπεράσει τους θεμελιώδεις περιορισμούς που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές στα επίγεια εργαστήρια. Η διαδικασία περιελάμβανε την εναπόθεση εξειδικευμένων βιο-μελανιών, αποτελούμενων από ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα, για τον σχηματισμό μικροδομών που μιμούνται την αρχιτεκτονική των ανθρώπινων οργάνων.

Η μηχανική της μικροβαρύτητας και η εξάλειψη του scaffolding

Ο κύριος λόγος για τον οποίο η βιοεκτύπωση οργάνων παραμένει εξαιρετικά δύσκολη στη Γη είναι η βαρύτητα. Όταν οι επιστήμονες προσπαθούν να στοιβάξουν στρώματα κυττάρων για να δημιουργήσουν ένα τρισδιάστατο όργανο (όπως το συκώτι ή ο νεφρός, τα οποία διαθέτουν εξαιρετικά πυκνά και περίπλοκα αγγειακά δίκτυα), το βάρος των ίδιων των κυττάρων προκαλεί την κατάρρευση της δομής. Για να αποτραπεί αυτό, η επίγεια βιοεκτύπωση απαιτεί τη χρήση υποστηρικτικών πλαισίων, γνωστών ως ικριωμάτων (scaffolds).

Τα ικριώματα αυτά, κατασκευασμένα από υδροτζέλ ή πολυμερή, συχνά εμποδίζουν τη φυσική επικοινωνία των κυττάρων, περιορίζουν την ανάπτυξη αιμοφόρων αγγείων (αγγειογένεση) και, σε ορισμένες περιπτώσεις, προκαλούν φλεγμονώδεις αντιδράσεις ή απορρίπτονται από τον οργανισμό.

Στο Διάστημα, η δυναμική αλλάζει ριζικά, καθώς η μικροβαρύτητα επιτρέπει στα βιο-μελάνια να εκτυπώνονται και να διατηρούν το σχήμα τους στον χώρο. Τα κύτταρα μπορούν να τοποθετηθούν με απόλυτη γεωμετρική ακρίβεια και να αυτο-οργανωθούν σε λειτουργικούς ιστούς. Η απουσία της βαρυτικής έλξης δίνει τη δυνατότητα στην επιφανειακή τάση των υγρών να αναλάβει τον έλεγχο, επιτρέποντας στους εκτυπωμένους ιστούς να ωριμάσουν ταχύτερα και να σχηματίσουν συμπαγείς, τρισδιάστατες δομές, όμοιες με τον φυσικό ανθρώπινο ιστό.

Γιατί επιλέχθηκαν ο νεφρός και το ήπαρ

Η επιλογή των συγκεκριμένων ιστών από την Auxilium Biotechnologies βασίζεται σε αυστηρά ιατρικά και κατασκευαστικά κριτήρια.

Το ήπαρ διαθέτει μια εκπληκτική ικανότητα φυσικής αναγέννησης, αλλά η εργαστηριακή αναπαραγωγή του απαιτεί ακριβή τοποθέτηση ηπατοκυττάρων μαζί με ενδοθηλιακά κύτταρα για τη δημιουργία χοληφόρων πόρων και αγγείων. Οι ιστοί του ήπατος που εκτυπώθηκαν στο Διάστημα θα μελετηθούν πρωτίστως για την αποτελεσματικότητά τους στο φιλτράρισμα τοξινών, λειτουργώντας ως πιθανά μοντέλα για τον έλεγχο νέων φαρμακευτικών ουσιών, πριν αυτές δοκιμαστούν σε ανθρώπους.

Οι νεφροί αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη πρόκληση αλλά και τη μεγαλύτερη ζήτηση παγκοσμίως. Με εκατομμύρια ασθενείς να εξαρτώνται από μηχανήματα αιμοκάθαρσης, η δημιουργία ενός λειτουργικού νεφρώνα (η βασική μονάδα φιλτραρίσματος του νεφρού) αποτελεί τον απώτερο στόχο της βιομηχανικής της υγείας. Η εκτύπωση νεφρικού ιστού σε μικροβαρύτητα έδειξε αυξημένη ικανότητα των κυττάρων να διατηρούν την πολικότητά τους, ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό για την κανονική λειτουργία της διήθησης του αίματος.

Η διαδικασία ωρίμανσης και η επιστροφή στη Γη

Η βιοεκτύπωση είναι μόνο το πρώτο στάδιο. Το κρίσιμο στοιχείο της τεχνολογίας της Auxilium έγκειται στους βιοαντιδραστήρες που στεγάζουν τους εκτυπωμένους ιστούς. Μετά την εκτύπωση, οι ιστοί τοποθετούνται σε περιβάλλον ελεγχόμενης θερμοκρασίας και υγρασίας, όπου τροφοδοτούνται με θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου επώασης, τα ανεξάρτητα κύτταρα αρχίζουν να συνδέονται, δημιουργώντας εξωκυτταρική μήτρα και μετατρεπόμενα σε έναν ενιαίο, συνεκτικό ιστό.

Η επόμενη μεγάλη πρόκληση αφορά την επιστροφή των δειγμάτων στη Γη, καθότι οι ιστοί πρέπει να επιβιώσουν τις τεράστιες δυνάμεις G κατά την επανείσοδο της κάψουλας στην ατμόσφαιρα, διατηρώντας την ακεραιότητα τους. Τα δεδομένα που θα αναλυθούν μετά την προσγείωση των δειγμάτων θα καθορίσουν τη βιωσιμότητα της μεταφοράς διαστημικά παραγόμενων βιολογικών υλικών για κλινική χρήση σε νοσοκομεία.

Προεκτάσεις για τις διαστημικές αποστολές

Πέρα από τη χρησιμότητα στη Γη, η επιτυχία της Auxilium έχει άμεση εφαρμογή στη διαστημική ιατρική. Καθώς διαστημικές υπηρεσίες όπως η NASA και ο ESA σχεδιάζουν επανδρωμένες αποστολές μεγάλης διάρκειας προς τη Σελήνη και τον Άρη, η δυνατότητα αυτόνομης ιατρικής περίθαλψης καθίσταται αναγκαία. Η ικανότητα ενός πληρώματος να χρησιμοποιήσει τα δικά του βλαστοκύτταρα για να εκτυπώσει δερματικά μοσχεύματα, χόνδρους ή ακόμα και απλούς ιστούς οργάνων κατά τη διάρκεια της πτήσης, θα μειώσει δραματικά τους κινδύνους που συνδέονται με ιατρικά ατυχήματα εκτός Γης.