Οι εμβιομηχανικοί του Στάνφορντ στοχεύουν στην κατασκευή μιας καρδιάς, ένα στρώμα τη φορά

Για έναν μηχανικό, λίγα ανθρώπινα όργανα είναι πιο ελκυστικά από την ανθρώπινη καρδιά. Οι θάλαμοί της λειτουργούν σε τέλεια αρμονία- τα υλικά της είναι εύκαμπτα, αλλά συστέλλονται κατά παραγγελία- το σχήμα και η κίνησή της είναι τέλεια συντονισμένα ώστε να συμπιέζουν αποτελεσματικά τα υγρά σε ολόκληρο το σώμα. Είναι ένα δομικό θαύμα - όταν όμως κάτι πάει στραβά μέσα σε αυτή τη δομή, η εγγενής πολυπλοκότητά της καθιστά τη διόρθωσή της πραγματική πρόκληση. Ως αποτέλεσμα, χιλιάδες νεαροί ασθενείς με εκ γενετής καρδιακές διαταραχές πρέπει να αντιμετωπίζουν την ασθένειά τους για μια ολόκληρη ζωή.

"Οι παιδιατρικές καρδιοπάθειες είναι μία από τις πιο συχνές μορφές συγγενών γενετικών ανωμαλιών στις ΗΠΑ", λέει ο Mark Skylar-Scott, επίκουρος καθηγητής εμβιομηχανολογίας στις σχολές Μηχανικής και Ιατρικής. "Είναι πραγματικά δύσκολο για τις οικογένειες. Υπάρχουν τρόποι να παραταθεί η ζωή των παιδιών με χειρουργική επέμβαση, αλλά πολλά παιδιά υποφέρουν από περιορισμούς στη δραστηριότητα και ζουν μια ζωή γεμάτη αβεβαιότητα. Για να έχουμε μια πραγματικά θεραπευτική λύση, θα πρέπει με κάποιο τρόπο να αντικαταστήσουμε τον κατεστραμμένο ή παραμορφωμένο ιστό". Σε αυτό το σημείο έρχεται ο Skylar-Scott. Εργάζεται πάνω σε νέους τρόπους προσέγγισης των συγγενών καρδιακών παθήσεων, κατασκευάζοντας στο εργαστήριο τεχνητούς καρδιακούς ιστούς.

Χρειάζονται πολύ περισσότερα από την απλή καλλιέργεια κυττάρων σε ένα πιάτο, σημειώνει. Οι περισσότερες υπάρχουσες τεχνικές σπέρνουν καρδιακά κύτταρα ή βλαστικά κύτταρα σε ένα προσωρινό "ικρίωμα": μια πορώδη, σπογγώδη ουσία που μπορεί να τα συγκρατήσει στη θέση τους μέσα σε τρεις διαστάσεις. Αν και αυτή η μέθοδος επιτρέπει στους ερευνητές να αναπτύσσουν εργαστηριακούς ιστούς, είναι πραγματικά πρακτική μόνο για εξαιρετικά λεπτά στρώματα κυττάρων.

Εάν έχετε μια δομή που έχει πάχος μόνο μερικών κυττάρων, μπορείτε να βάλετε τα κύτταρα στη σωστή θέση. Αλλά αν προσπαθήσετε να αναπτύξετε κάτι που έχει πάχος ενός εκατοστού, γίνεται πραγματικά δύσκολο να τοποθετήσετε κύτταρα στα σωστά σημεία για να αναπτυχθεί ιστός. Γίνεται πραγματική πρόκληση να τα διατηρήσεις ζωντανά, να τους δώσεις τα σωστά θρεπτικά συστατικά ή να τους φέρεις αγγεία

λέει ο Skylar-Scott. Τα ανθρώπινα όργανα δεν είναι επίσης μονολιθικές μπάλες κυττάρων, προσθέτει. Το καθένα αποτελείται από πολύπλοκα στρώματα πολλαπλών τύπων κυττάρων, με αποτέλεσμα να δημιουργείται τρισδιάστατη δομή που είναι απίστευτα δύσκολο να αναπαραχθεί.

Εκτύπωση οργανοειδών
Για να παρακάμψουν αυτό το γεγονός, ο Skylar-Scott και η ομάδα του εργάζονται πάνω σε μια τολμηρή νέα οπτική γωνία για την ανάπτυξη οργάνων. Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης, κατασκευάζουν παχείς ιστούς ένα στρώμα τη φορά, τοποθετώντας τον ακριβή τύπο κυττάρων που χρειάζονται στα σωστά σημεία, όπως ένας πύργος που υψώνεται από ένα πλέγμα προσεκτικά τοποθετημένων τούβλων. Αυτού του είδους η μέθοδος κατασκευής, σημειώνει, λειτουργεί καλά για την αναπαραγωγή πολύπλοκων ιστών όπως η καρδιά, όπου η τρισδιάστατη μορφή έχει μεγάλη σημασία για τη λειτουργία της.

Όσο ελπιδοφόρα και αν είναι, η τρισδιάστατη εκτύπωση με κύτταρα συνοδεύεται από ορισμένες βαθιές και ακανθώδεις προκλήσεις. Σε αντίθεση με το πλαστικό νήμα, το οποίο οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές γενικής χρήσης μπορούν να θερμαίνουν και να συμπιέζουν σε μυριάδες σχήματα, τα κύτταρα είναι ζωντανά. Είναι μαλακά, ατελή και απογοητευτικά εύθραυστα, λέει ο Skylar-Scott.

Αν προσπαθήσετε να τοποθετήσετε ένα μόνο κύτταρο κάθε φορά, η εκτύπωση ενός ήπατος ή μιας καρδιάς θα μπορούσε να πάρει εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια. Ακόμη και αν κάνετε 1.000 κύτταρα ανά δευτερόλεπτο, θα πρέπει να τοποθετήσετε πολλά δισεκατομμύρια κύτταρα για να πάρετε ένα όργανο. Αν κάνετε τα μαθηματικά, αυτό δεν φαίνεται πολύ ωραίο για μια κλιμακούμενη διαδικασία

Αντ' αυτού, ο Skylar-Scott και το εργαστήριό του εργάζονται για την επιτάχυνση της διαδικασίας εκτύπωσης, τοποθετώντας πυκνές συστάδες κυττάρων που ονομάζονται "οργανοειδή". Η ομάδα δημιουργεί αυτές τις μάζες τοποθετώντας γενετικά τροποποιημένα βλαστικά κύτταρα σε φυγόκεντρο, το οποίο δημιουργεί μια ουσία που μοιάζει με πάστα. Χρησιμοποιώντας αυτό το παρασκεύασμα, είναι σε θέση να εκτυπώσουν έναν μεγάλο αριθμό κυττάρων ταυτόχρονα σε μια ζελατινώδη τρισδιάστατη δομή. "Ουσιαστικά καθορίζουμε τη δομή μεγάλης κλίμακας ενός οργάνου εκτυπώνοντας αυτά τα οργανοειδή", λέει.

Προγραμματισμός κυττάρων
Η τοποθέτηση των βλαστικών κυττάρων στη θέση τους είναι όμως μόνο το πρώτο βήμα. Μόλις εκτυπωθούν, οι ερευνητές πρέπει με κάποιον τρόπο να τα πείσουν να διαφοροποιηθούν σε πιο συγκεκριμένους κυτταρικούς τύπους, σχηματίζοντας ένα πολυστρωματικό σύμπλεγμα ομάδων κυττάρων εργασίας που μοιάζουν με υγιή ιστό οργάνου. Για να επιτευχθεί αυτό, η Skylar-Scott ουσιαστικά λούζει τα βλαστικά κύτταρα σε ένα χημικό κοκτέιλ.

"Κάθε σειρά βλαστικών κυττάρων που αναπτύσσουμε είναι γενετικά τροποποιημένη ώστε να ανταποκρίνεται σε ένα συγκεκριμένο φάρμακο", σημειώνει. "Μόλις αντιληφθούν αυτό το φάρμακο, διαφοροποιούνται σε συγκεκριμένους κυτταρικούς τύπους". Ορισμένα κύτταρα προγραμματίζονται να γίνουν καρδιομυοκύτταρα, τα καρδιακά κύτταρα που αποτελούν τον βασικό λειτουργικό ιστό μέσα στην καρδιά. Άλλα καθοδηγούνται να γίνουν στρωματικά κύτταρα, τα οποία συνδέουν τους ιστούς μεταξύ τους.

Ο Skylar-Scott δοκιμάζει τους εκτυπωμένους ιστούς του σε έναν βιοαντιδραστήρα, ένα δοχείο περίπου στο μέγεθος ενός smartphone που βοηθά να διατηρηθούν τα εκτυπωμένα κύτταρα ζωντανά. Μέσα σε αυτόν, η ομάδα του κατάφερε να αναπτύξει μια τυπωμένη δομή που μοιάζει με όργανο: έναν σωλήνα μήκους περίπου 2 ιντσών και διαμέτρου μισού εκατοστού. Όπως μια φλέβα μέσα στο ανθρώπινο σώμα, αυτή η μικροσκοπική συσκευή θα μπορούσε να "αντλεί" από μόνη της, συστέλλοντας και διαστέλλοντας για να μεταφέρει υγρό μέσα από τον εαυτό της.

"Αν μπορέσουμε να αναπτύξουμε περισσότερους ιστούς σαν κι αυτόν, ίσως έχουμε ένα αξιοπρεπές σημείο στα μισά του δρόμου για την κατασκευή κάτι που θα μπορεί να εμφυτευτεί στο ανθρώπινο σώμα", λέει ο Skylar-Scott. "Για παράδειγμα, για τους ασθενείς που γεννιούνται με μία μόνο κοιλία, υπάρχει μόνο ένας θάλαμος στην καρδιά που μπορεί να ωθήσει το αίμα μέσα στο σώμα και τους πνεύμονες - γεγονός που επιβαρύνει πολύ το καρδιαγγειακό σύστημα και προκαλεί υψηλή αρτηριακή πίεση που μπορεί να δημιουργήσει βλάβες στα όργανα. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μια βιολογική συσκευή άντλησης για να βοηθήσει το αίμα να πηγαίνει προς και από την καρδιά", λέει.

Κλιμάκωση
Ο Skylar-Scott σπεύδει να σημειώσει ότι η εκτύπωση μιας μεγαλύτερης δομής, όπως ένας λειτουργικός θάλαμος για να μεταμοσχευθεί σε μια υπάρχουσα καρδιά, είναι ακόμη μακριά. Η δημιουργία αυτού του είδους θα σήμαινε την καλλιέργεια κάτι περισσότερο από 16 φορές μεγαλύτερου μεγέθους από την πειραματική "φλεβική αντλία" του εργαστηρίου του. Προκειμένου να παραχθεί κάτι που να πλησιάζει έστω και σε αυτό το μέγεθος -ή ακόμα καλύτερα, ένα ολόκληρο νέο όργανο- το εργαστήριό του θα πρέπει να αυξήσει την παραγωγή κυττάρων σε τεράστια κλίμακα.

Η κλιμάκωση θα είναι η πρόκληση της γενιάς μας. Αυτή τη στιγμή, χρειάζεται ένας μήνας για να αναπτυχθούν αρκετά κύτταρα ώστε να εκτυπωθεί κάτι μικροσκοπικό. Είναι επίσης εξαιρετικά ακριβό να γίνει - κάθε δοκιμή αντιπροσωπεύει δεκάδες χιλιάδες δολάρια. Πρέπει να βρούμε τρόπους να κατασκευάσουμε κύτταρα ώστε να γίνουν πιο ανθεκτικά και φθηνότερα στην ανάπτυξή τους, ώστε να μπορέσουμε να αρχίσουμε να εξασκούμαστε και να τελειοποιούμε αυτή τη μέθοδο. Μόλις δημιουργηθεί ο αγωγός για νέα κύτταρα, νομίζω ότι θα αρχίσουμε να βλέπουμε απίστευτη πρόοδο

Ωστόσο, αυτό θα σημαίνει κάτι περισσότερο από την κατασκευή ενός μεγαλύτερου εκτυπωτή. Από πολλές απόψεις, το θέμα είναι τα ίδια τα κύτταρα και η κλιμάκωση της παρασκευής τους.