Biotinta, bioreaktorok, szervsablonok: a háromdimenziós szövetnyomtatás a beavatatlanok számára egyenesen tudományos-fantasztikus fikciónak tűnhet. A Pécsi Tudományegyetem Szentágothai János Kutatóközpontjában ismerkedtünk az egészségügy forradalmasítását ígérő technológiával, ahol a kutatók többek között az emberi test legkisebb csontja, a kengyel nyomtatásán dolgoznak.
Stemler Miklós írása
Az igazán drága technológiák egyik ismérve, hogy egyáltalán nem tűnnek drágának, gondolhatnánk a Pécsi Tudományegyetem Szentágothai János Kutatóközpontjában (PTE SZKK) található szövetnyomtató laboron végig nézve. Az itt található eszközök zöme a tradicionális sejttenyésztő laboratóriumokból már jól ismert, ami persze nem véletlen: egyrészt a szövetnyomtatási folyamathoz sok sejt életben tartása szükséges, más részről a fontos események mikroszkopikus léptékben, sejtszinten zajlanak, ezért a folyamatosan fejlődő és ezért cserélődő eszközök ezt a miniatűr világot szolgálják ki.
Irodai nyomtató extrákkal
Ez igaz az általunk épp megszemlélt berendezésekre, ahol az átlagos külsejű laboratóriumi műszerekhez több százmilliós árcédulát tartoznak. Mint dr. Pongrácz Judittól, a PTE Gyógyszerészeti Biotechnológia Intézetének intézetvezető professzorától megtudjuk, az egyik legfontosabb eszközük egy háromcsatornás bionyomtató, ami azt jelenti, hogy három különböző sejttípus, illetve ezek tetszőleges kombinációjának nyomtatására képes. Egy laikus szemlélőnek mindez nem mond túl sokat, ám szerencsére kísérőnk érzékletes példával írja le a bionyomtatás folyamatát. „A legegyszerűbb talán magunk elé képzelni egy irodai színes nyomtatót, amely többfajta töltettel rendelkezik a színek előállítására: az egyik sárga, a másik mondjuk piros. A színes töltetek helyett mi különböző sejttípusokat alkalmazunk, ezek adják ki aztán úgymond a betűket. A sima irodai kétdimenziós nyomtatókkal szemben fontos különbség, hogy a bionyomtató többször is végigmegy egy-egy betűn, annak tetszőleges vastagságot adva.”
Egy egyszerű sejttenyészettel szemben tehát a bionyomtatás két nagyon fontos előnyt kínál: többfajta sejtet tud elhelyezni tetszőleges kombinációkban, mindezt ráadásul háromdimenziós struktúrákban, épp úgy, ahogy az élő szövetek és a szervek szerveződnek és funkcionálnak. Ez az első lépés, amiből rengeteg minden következik, illetve a remények és elképzelések szerint fog következni. A végpont többszörös. Az egyik, a képzeletet leginkább lázba hozó végkifejlet egy működő, beültethető emberi szerv, de addig még rengeteg megoldandó probléma vár a kutatókra – még úgy is, hogy a bio-, illetve szövetnyomtatás már ma is egyre nagyobb szerepet játszik különböző terápiás módszerekben és kutatásokban. A másik, már részben elért végpont a szervek és azok betegségeinek modellezése, amely lehetőséget nyújt új gyógyszerek és kombinációik fejlesztésére, toxikológiai elemzésére.
Az őssejt forradalom
A bionyomtatás alapköve a sejt, amiből rengetegre van szükség, hiszen egy emberi szerv sejtek milliárdjaiból épül fel. Hosszú ideig épp a kritikus sejtszám elérése volt az elsődleges korlátozó tényező: ezen egy Nobel-díjat érő felfedezés segített. A sejtszám növelését megalapozó áttörés 2006-ban következett be, idézi fel dr. Pongrácz Judit. Ekkor egy japán kutató, Jamanaka Sinja sikeresen alakított vissza felnőtt egérsejteket őssejtekké, azaz olyan sejtté, amelyeket másfajta sejtekké lehet „átprogramozni”. A kutató egy évvel később mindezt emberi őssejtekkel is sikeresen végrehajtotta. A 2012-ben orvosi Nobel-díjjal jutalmazott felfedezés óriási jelentőségű volt a szervezet saját gyógyító képességeinek kiaknázására törekvő regeneratív medicina szempontjából, hiszen lehetőséget nyitott arra, hogy a megfelelő irányítással a sérült szövetek gyógyítására ezeket az úgynevezett indukált pluripotens őssejteket használják fel. A módszer révén ráadásul viszonylag könnyen és gyorsan lehet nagyszámú sejtet szaporítani és felhasználni a szerveink és betegségeink alaposabb megismerésére, új gyógymódok fejlesztésére.
Az indukált őssejtek bevetésével válhatnak lehetségessé és mindennapivá olyan (eddig állat kísérletekben kipróbált) terápiák, mint például a szívinfarktus során elhalt szívszövet pótlása, javítása. Mindez persze messze nem olyan egyszerű, mint amennyire hangzik: rengeteg próbálkozásra, kísérletre van szükség, amíg megtalálják az emberi alkalmazás esetében is biztonságos és valóban hatékony sejttranszplantációs megoldásokat. A kutatók és klinikusok számára fontos tapasztalat volt, hogy a szöveti környezet határozza meg a szervezetbe juttatott sejtek viselkedését (azaz a beteg szövet környezetébe került sejtek maguk is beteg szövetté alakulnak), és ez alapozott meg a bionyomtatás fejlődésének is, ahol a szöveteket komplex formában próbálják reprodukálni, sejttranszplantáció helyett szövet, vagy teljes szerv transzplantációra törekedve.
Mindez természetesen újabb megoldandó problémákat eredményezett. Egy szerv reprodukálásához nem pusztán a megfelelő sejtekre van szükség, hanem annak mélyreható ismeretéhez is, hogy hogyan néz ki az adott szerv szerkezete, morfológiája, mégpedig működés közben. Az egyes szervek ráadásul nem egymástól függetlenül léteznek, hanem a szervezet ökoszisztémájának részeként, és ennek a környezetnek az ismerete, újra alkotása is szükséges a bionyomtatással készült szövet fenntarthatóságához. Mielőtt tehát bármiféle szerv előállításába foghatnánk, a lehető legkorszerűbb képalkotó eljárásokkal kell feltérképezni a szervet és annak környezetét.
A varázspálca-effektus
Ezek után kerülhet sor egyáltalán a nyomtatásra, ahol a cél az adott szerv, szövet háromdimenziós szerkezetének újra alkotása. Itt már léteznek működő módszerek: bár még messze vagyunk az olyan bonyolultabb szervek teljes körű elkészítésétől, mint például a szív, de porcokra, csontokra már akad példa. „Az már reális forgatókönyv, hogy amennyiben egy baleset során egy csontot olyan súlyos trauma ér, hogy a pótlása az egyedüli megoldás, a vázszerkezet kialakítása után arra a megfelelő sejtek ültetésével új csontot érleljenek különféle laboratóriumokban” – magyarázza dr. Pongrácz Judit.
Nem véletlen az érlelés szó használata, ugyanis a térbeli elrendezés mellett a negyedik dimenzió, az idő is létfontosságú: a nyomtatás során létrehozott szervkezdeménynek ugyanúgy kell fejlődnie, növekednie, mint egy hagyományos fejlődési úton létrejöttnek. Ehhez az élő szervezet viszonyaihoz hasonló környezetre, illetve az ezt biztosító úgynevezett bioreaktorokra van szükség, ahol az elkészült „szervkezdemények” fejlődhetnek. A megfelelő környezet mellett ráadásul trenírozni is kell az ifjú szöveteket, hogy azok az elvárt módon növekedjenek tovább, és valódi, funkcionális porc, vagy csont jöjjön létre belőlük, amely el is bírja a súlyterhelést. Ehhez hasonlóan működőképes tüdő létrehozása csak olyan környezetben lehetséges, ami szimulálja a valódi viszonyokat, hiszen a tüdőszövet mozgása, levegővel való érintkezése szabja meg a működőképes szerv szerkezetének kialakulását.
Mindez persze rengeteg kísérletezéssel és időleges kudarccal jár. „Lépésről-lépésre kell rájönnünk, hogy milyen sejttípusokat kell használnunk, azok milyen más sejtek környezetében érzik jól magukat, hogyan jut el a tápanyag minden egyes sejthez, milyen kölcsönhatások alakulnak ki. Ha viszont mindent jól rakunk össze, és jól állítjuk be a legfontosabb faktorokat, akkor azt tapasztaljuk, hogy a laboratóriumban előállított szöveteink azt csinálják, amit csinálniuk kell, mintha csak egy varázspálcát lengettünk volna meg – villantja fel a kutató a hosszas kísérletezések végén rejlő jutalmat.
Biotinták – már nem csak álmodunk róluk
A bionyomtatással foglalkozók előtt álló legkomolyabb kihívás a háromdimenziós szerkezetek kialakítása, illetve a nyomtatott sejtek ösztönzése ezek kialakítására. Az elmúlt évek során több áttörés történt ezen a területen, és most már elérhetőek az úgynevezett alapmátrixok, amelyek révén a megfelelő irányba lehet terelni a nyomtatott szövetek fejlődését. Ezek az alapmátrixok különösen a lágy szövetek előállításánál fontosak. Míg csontok esetében előnyomtatott és felszívódó vázszerkezetek létrehozásával is megoldható a szövetek megfelelő formájának és méretének megalapozása, a lágy szövetek sejtjeit az alapmátrixok segítségével lehet formára és szöveti szerkezet kialakítására serkenteni. A lágy alapmátrixok különösen kedveltté váltak, hiszen a szilárd vázszerkezet is vet fel problémákat, mivel ezeknek a szöveteknek az elkészülése és beültetése után az élő szervezetre ártalmatlan módon kell lebomlania.
Az előre kinyomtatott vázak kiváltására születtek meg azok a technológiák, anyagok, amelyek révén a sejteket ilyenféle külső szerkezetek nélkül lehet önálló építkezésre sarkallni, hogy saját maguk hozzák létre a megfelelő struktúrákat – ezek az úgynevezett biotinták. „Míg a hagyományos vázszerkezetek esetében ezekre telepítjük rá a sejteket, a biotinták használata révén körbevesszük a fejlődő szövetet, egy olyan átjárható réteget létrehozva, amely egyrészt megóvják a sejteket, és ideális közeget biztosítanak, másrészt pedig átjárhatóak a tápanyag és oxigén számára” – magyarázza dr. Bóvári-Biri Judit, a kutatócsoport munkatársa.
A biotinták nagy alkotói szabadságot nyújtanak, teszi mindehhez hozzá dr. Pongrácz Judit, ami azért is fontos, mert a szövetnyomtatást már kiterjedten alkalmazzák például a gyógyszertesztelések során, ahol az egyénileg előállított szövetek lehetővé teszik, hogy a fejlesztés alatt álló szerek hatásait a lehető legszélesebb körben lehessen tesztelni. Ehhez az első lépést az indukált őssejtek szolgáltatták, amelyek révén lehetőség nyílt az egyes betegek saját sejtjeiből készített betegség modellek kialakítására és vizsgálatára, a bionyomtatás segítségével pedig az emberi szervezetben lévő körülményeket is nagy valósághűséggel lehet szimulálni.
Ennek elsősorban a preklinikai vizsgálatok során van jelentősége, ahol a bionyomtatás révén komplex szöveteken és az emberi testet modellező környezetben lehet kiszűrni az esetleges durva mellékhatásokat, és ezáltal jóval biztonságosabbá lehet tenni a már emberek bevonásával zajló klinikai fázisokat. Emellett már itt kiderülhet, ha egy hatóanyag hatékonysága elmarad a várakozásoktól, jelentős időt és pénzt spórolva. Mindezt ráadásul több tízezernyi háromdimenziós szövetmintán tudják végrehajtani az adatok folyamatos elemzésével, és így a genetikai különbségek által okozott esetleges problémákra is fény derülhet.
Dr. Pongrácz Judit kutatásainak is fontos részét képezik a gyógyszer és gyógyszerjelölt hatóanyagok toxikológiai és hatástani vizsgálatai. „Itt az egyik fontos terület a ritka betegségekre alkalmazható gyógyszerek tesztelése. A betegség mechanizmusának megismerése, majd ezek tükrében a már engedélyezett gyógyszerek hatásának nyomtatott szöveteken történő vizsgálata izgalmas és rendkívül reményt keltő lehetőségeket rejt a terápia területén” – magyarázza a kutatásvezető.
A legkisebb emberi csonttól az érhálózatig
Bár a saját sejtekből bionyomtatott, nem kilökődő májtól, avagy szívtől még jó pár megoldandó probléma választ el minket, a bionyomtatás már most is egyre több klinikai alkalmazással rendelkezik. Számos laboratórium ért már el jelentős sikereket a fül- és a térdporc, illetve bőr előállításában, amely segítségével lehetséges a sérült szövetek pótlása és helyreállítása.
Szintén nagy előrelépés történt a csontok nyomtatása terén, és a pécsi kutatók most épp egy ilyen projekten dolgoznak együtt a helyi Fül-Orr-Gégészeti Klinika orvosaival, köztük dr. Bakó Péterrel és dr. Kocsis Mátéval, illetve a 3D Központban dr. Maróti Péterrel. Az emberi test legkisebb csontjáról, a fülben található kengyelről van szó, amely épp apró mérete miatt kihívás. Mindössze 3,3*2,8 milliméter, és különleges alakja még inkább megnehezíti előállítását, amihez igazi csapatmunka szükséges. „Arról eddig nem esett szó, hogy egy nagyobb csapat részeként dolgozunk. Az adott szerv felépítését, működését jól ismerő szakértők, radiológusok teszik lehetővé, hogy a lehető legjobban feltérképezzük a nyomtatandó szervet, majd utána jövünk mi, hogy ebből életképes szövetet állítsunk elő.” – részletezi a folyamatot dr. Pongrácz Judit.
A csontnyomtatást célzó klinikai együttműködés mellett a pécsi kutatók elsősorban lágy szövetekkel foglalkoznak, és az ezekhez tartozó érhálózatokkal. A kutatók szerint a terület szépségét az adja, hogy a szövetnyomtatások során újabb és újabb részletek derülnek ki az adott szövetek, szervek működéséről, viselkedéséről, az esetenként váratlan kölcsönhatásokról, és ezek „visszatáplálása” révén lehet lépésről-lépésre előrejutni az emberi szervezet bonyolult rendszerének megismerésében.
Ez vonz egyre több diákot is a bionyomtatással való foglalkozáshoz, mint például a kutatásokban szintén résztvevő, az őssejteket zsírszöveti irányba differenciáltató projekten dolgozó Nagy Alexandra biotechnológus mesterhallgatót. „Számomra azért is különösen izgalmas ez a terület, mert közvetlenül kapcsolódik a gyógyszer célpontok megismeréséhez, a kifejlesztett gyógyszerek bevizsgálásához, avagy a szövetekben fellépő »hibák« korrigálásához, amikről sokat tanulunk. A szövetnyomtatás sok kérdést vet fel, amikre természetesen szeretnénk választ kapni – majd az erre kapott válaszok újabb kérdésekhez vezetnek.” – fogalmaz.
Ez az izgalom hajtja előre világszerte az olyan kutatókat, mint az immár huszonhat éve háromdimenziós szövetekkel foglalkozó dr. Pongrácz Juditot és munkatársait, hogy egyre közelebb hozzák a valósághoz a régi álmot: az élő szövetek saját regenerációs képességeit kiaknázni a gyógyításhoz és az élet meghosszabbításához.
Fotó:
Kalmár Lajos