A tudományos fantasztikum sejlik fel az olyan uniós kutatások kapcsán valóra váló lehetőség mögött, miszerint 3D-nyomtatással élő sejteket állítanak elő, ami utat nyit a holnap orvostudománya és az állatkínzástól mentesen készült állati termékek, így élelmiszerek előtt, ahogy erről a Horizon, az EU kutatási és innovációs magazinja számolt be.
A 3D-nyomtatás az 1980-as évekbeli kezdetek óta hosszú utat járt be, és mára számos gyártási folyamat alapvető eszközének számít. Most azonban a biomérnökök új és izgalmas irányba viszik a technikát, hiszen egy európai uniós támogatással megvalósuló kutatási projekt arra vállalkozik, hogy autóalkatrészek és dizájnbútorok mellett emberi szervek nyomtatására, vagy emberi szövetek regenerálására tesz kísérletet élő sejtek bioprintelésével.
Első lesz a hasnyálmirigy
Az Utrechti egyetem biofabrikációs és regeneratív orvoslással foglalkozó kutatói egy belga, olasz, holland, svéd és svájci kutatókból álló csoport élén például az ENLIGHT nevű, 2021-től 2025-ig tartó kutatási kezdeményezés részeként emberi sejtekből készült, 3D-nyomtatással készült miniatűr hasnyálmirigyet fejlesztenek. Ez reményeik szerint nemcsak a cukorbetegség kezelésére szolgáló új terápiák tesztelésének megbízhatóságát és pontosságát javíthatja, de talán egy napon akár az emberi transzplantációhoz szükséges, laboratóriumban növesztett szervek létrehozásához is vezethet.
A kutatás egyik legfontosabb alapanyagai az őssejtek. Ezek olyan sejtek, amelyeknek megvan a lehetősége arra, hogy a kapott jelektől függően sokféle emberi szövettípussá – izomsejtekké, vérsejtekké, agysejtekké – fejlődjenek. A kezdeti kísérleteket laboratóriumban őssejtekből növesztett inzulintermelő sejtekkel végezték.
Ezeknek a sejteknek a beteg hasnyálmirigybe történő egyszerű átültetése azonban csak rövid távú enyhülést hoz, mert a sejtek nem kapnak megfelelő támogatást. Ha ezeket a sejteket ugyanis kellő struktúra, érrendszer és védőanyag nélkül juttatják be a szervezetbe, akkor idővel elpusztulnak és az eljárást néhány év múlva meg kell ismételni.
Az ENLIGHT kutatói azonban most emberi szöveteket, élő sejteket nyomtatnak 3D-ben, hogy háromdimenziós, erekkel kiegészített implantátumokat alkossanak. Ez azért jelent kihívást, mert az élő sejtek törékenyek, és nem élik túl a normál 3D nyomtatási folyamatot.
A kutatók ezt úgy oldották meg, hogy vízben gazdag géleket, úgynevezett biofestékeket használtak, amelyek a nyomtatási folyamat során hordozzák és táplálják a sejteket. Ezután a sejtek differenciálódási folyamatát úgy kell tudni irányítaniuk, hogy a szerv a genetikai „tervrajz” szerint fejlődjön. Ezt fény segítségével teszik.
Fényhologram a fúvókás nyomtatás helyett
Az ENLIGHT kutatói a folyamathoz egy újszerű 3D nyomtatási technikát fejlesztettek ki, amely fényt használ a sejteket tartalmazó biofesték formázására, ahelyett, hogy egy fúvókán keresztül préselné át azt, mint egy hagyományos 3D nyomtató, ami károsítaná a sejteket.
Roppant izgalmas módon lényegében egyfajta fényhologramot hoznak létre a nyomtatni kívánt tárgyról ennek a közegnek a közepén. Ahol ez a 3D-s fénystruktúra van, ott a közeg szilárddá válik, mindenhol máshol pedig folyékony marad, így egyszerűen ki lehet mosni.
A sejtek pedig be vannak zárva a zselatinszerű formába, amely az élő szövetek sejten kívüli mátrixához hasonlít. A kutatók ezután meghatározott hullámhosszúságú fénynek kitéve a sejteket arra ösztökélik, hogy inzulintermelő sejtekké érjenek.
A csapat jelenleg laboratóriumban teszteli implantátumaikat, és a kutatók remélik, hogy az ilyen 3D nyomtatott organoidok használata még az évtized vége előtt a standard gyógyszerfejlesztési eljárások részévé válhat.
Ahhoz azonban, hogy a bioprintelt organoidok alkalmassá váljanak az emberi betegekbe történő transzplantációra, jóval hosszabb idő szükséges.
Az ENLIGHT projekt egyik előnye, hogy nagymértékben csökkentheti az állatkísérletek szükségességét is. Ha ugyanis képesek lennénk élethű emberi organoidokat nyomtatni, az nemcsak a gyógyszerkísérletek pontosságát javítaná, hanem azt is jelentené, hogy elkerülhető lenne a laboratóriumi állatok millióinak szenvedése.
A Glasgow-i Egyetem biomérnökei kissé más irányba viszik az élő szövetek 3D nyomtatásának koncepcióját, de ez is az állatok szenvedését enyhítheti. Az itt koordinált a PRISM-LT nevű, több országot érintő, uniós támogatással működő kutatási kezdeményezés célja a különböző élő szövetek költséghatékony 3D nyomtatásának kifejlesztése. A 2027-ig tartó munkának mind a biomedicinában, mind az élelmiszer-előállításban releváns alkalmazásai lehetnek.
A projekt célja egy olyan több helyen alkalmazható technológia létrehozása, amely az élő szövetek sokféle változatának előállításával foglalkozik az egészségügyi és az élelmiszeriparban, különösen a fenntartható és tiszta élelmiszer-előállításban való alkalmazás céljából.
Baktériumok és gombák segítik a nyomtatott hús előállítását
E területen az jelenti a kihívást, hogy olyan összetett heterogén szöveteket hozzanak létre, amelyek hűen utánozzák az élő anyagok textúráját. A hús például tartalmaz izomsejteket és zsírsejteket, de olyan sejteket is, amelyek a kötőszöveteket alkotják.
Ahhoz, hogy olyan húst hozzanak létre, amely olyan, mint az igazi, a kutatóknak módot kell találniuk arra, hogy az őssejteket arra utasítsák, hogy pontosan a kívánt szövettípust hozzák létre egy előre meghatározott struktúrán belül – majd a folyamatot idővel fenntartsák.
A kutatók ehhez a természetben zajló szimbiózis folyamatait szeretnék utánozni. Baktériumokat vagy élesztőgombákat kevernek az őssejtekhez egy 3D nyomtatási biofestékben, hogy segítsenek irányítani a differenciálódási folyamatot. Ezek a baktérium- vagy élesztőgombasejtek érzékelik, hogy a sejtek milyen irányba haladnak, és megfelelő vegyi anyagokat kezdenek termelni, hogy segítsék a további differenciálódást. A kutatók arra számítanak, hogy a projekt végére képesek lesznek centiméteres méretű szövetkockákat létrehozni, és először az orvosi alkalmazásokhoz szükséges 3D-nyomtatott csontvelőre és egy márványozott tenyésztett húsmintára összpontosítanak.
A bioprintelési technológia nagyobb rugalmasságot kínál a szövet végső összetételének kialakításában. Ez pedig különösen megfelel a személyre szabott egészségügyi alkalmazások igényeinek. A kinyomtatott élelmiszerek előállítása hosszabb időt vesz igénybe, mivel a technológia ilyen esetben elengedhetetlen méretnövelése sok energiát igényel. Egy laboratóriumban használt 3D nyomtató nem lenne alkalmas arra, hogy tömegfogyasztásra alkalmas mennyiségű húst állítsanak elő. Ezt a még meglévő technológiai rést be kell zárni a továbblépéshez.
