Inde i bestræbelserne på at printe lunger og puste liv i dem med stamceller

Udlånt af 3D Systems

I sidste måned havde jeg chancen for at holde en kopi af den øverste del af en menneskelig luftvej – luftrøret plus de to første bronkier. Det var blevet lavet af kollagen, den biologiske cement, der holder vores kroppe sammen. Det var glat og hult, med konsistensen af ​​underkogt pasta.

Strukturen var opstået fra en 3D-printer i køleskabsstørrelse i Manchester, New Hampshire, ved en forpost for United Therapeutics, et firma, der tjener mere end en milliard dollars om året på at sælge lægemidler til behandling af lungesygdomme.

En dag, siger firmaet, planlægger det at bruge en printer som denne til at fremstille menneskelige lunger i ubegrænsede mængder og overvinde den alvorlige mangel på donororganer.

Bioprinting af væv er ikke en ny idé. 3-D-printere kan lave menneskelig hud, selv nethinder. Alligevel har metoden indtil videre været begrænset til væv, der er meget små eller meget tynde og mangler blodkar.

United udvikler i stedet en printer, som man mener vil være i stand til inden for få år at fremstille et solidt gummiagtigt omrids af en lunge i udsøgte detaljer, inklusive alle 23 nedadgående grene af luftvejen, de gasudvekslende alveoler og en delikat netværk af kapillærer.

En lunge lavet af kollagen vil ikke hjælpe nogen: det er for en rigtig lunge, hvad en gummikylling er for en egentlig høne. Så United udvikler også måder at imprægnere matrixen med menneskelige celler, så de sætter sig fast og graver sig ind i den og bringer den til live.

Vi forsøger at bygge de små pindehuse til celler at bo i, siger Derek Morris, projektleder i Uniteds orgelfremstillingsgruppe.

Orgeliværksætter

3-D-print-projektet er det seneste i rækken af ​​high-wire ingeniørbestræbelser iværksat af Uniteds administrerende direktør, Martine Rothblatt, en tidligere rumfart-entreprenør (hun var den stiftende administrerende direktør for Sirius Satellite Radio), som skiftede karriere i 1990'erne efter hende datter udviklede en sjælden lungesygdom.

Da Rothblatt oprettede United, parlayerede Rothblatt et forladt stof, hun hentede for 25.000 dollars, til et firma, der gjorde hende til bedst betalte administrerende direktør i den biofarmaceutiske industri sidste år — da hun også satte en hastighedsrekord i en elektrisk helikopter. Rothblatt siger, at hun forventer, at elektriske droner en dag vil piske organer fra hendes fabrik, hvor de er nødvendige.

United har allerede lavet nogle risikable organ-væddemål. Et af dets datterselskaber, Revivicor, forsyner kirurger med hjerter, nyrer og lunger fra gensplejsede grise (disse har hidtil været brugt i bavianer). En anden, Lung Bioengineering, istandsætter lunger fra menneskelige donorer ved at pumpe varm opløsning ind i dem. Omkring 250 mennesker har allerede modtaget lunger, som ellers ville være blevet betegnet som medicinsk affald.

Forvent ikke fuldt fremstillede organer snart. United forudser i deres virksomhedsprognoser, at det ikke vil ske om 12 år mere. Rothblatt erkender, at den trykte struktur, jeg så, kun er en begyndelse. Det er kun to grene og ingen celler, siger hun.

Alligevel kan Uniteds indsats for at trykke hele orgler, som startede sidste år, være branchens største. Det hyrede et South Carolina-firma, 3D Systems, til at bygge printeren og betaler et andet firma, 3Scan, for at skære lungerne op og lave detaljerede kort over deres indre. Det har jobannoncer ude for roller som Mathematician—Human Organ Design.

Uniteds organfremstillingsgruppe er beliggende i det samme kompleks af tidligere tekstilfabrikker som BioFabUSA, et initiativ til 80 millioner dollars i forsvarsministeriets vævsprintning. Dean Kamen, den velkendte opfinder, der leder BioFabUSA, siger, at møder med Rothblatt var det, der fik ham til at ansøge regeringen om at være vært for instituttet. Jeg så mirakler, hun leger med, og frustrationen over det udstyr, hun bruger til at gøre det, siger han. For Kamen er biologer hindret af, hvad han kalder det 19. århundredes teknologi med kolber og bægre.

3-D print

Den kollagenprinter, 3D Systems bruger nu, fungerer efter en metode kaldet stereolitografi. En UV-laser flimrer gennem en lavvandet pøl af kollagen dopet med lysfølsomme molekyler. Uanset hvor laseren bliver hængende, hærder kollagenet og bliver solidt. Gradvist sænkes objektet, der udskrives, og nye lag tilføjes.

Uniteds administrerende direktør, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

Printeren kan i øjeblikket nedlægge kollagen med en opløsning på omkring 20 mikrometer, ifølge United. Udskrivning af de anatomiske detaljer i en lunge vil dog kræve funktioner mindre end en mikrometer i størrelse.

Når du ser kompleksiteten af ​​lungen, hvad naturen gør fra undfangelse til fødsel, er der ingen måde at bearbejde det eller forme det. 3-D-print er den eneste måde, vi har til at skabe den geometri, siger Pedro Mendoza, direktør for bioprint hos 3DSystems.

Mendoza siger, at 3D Systems planlægger at importere teknikker fra halvlederindustrien - såsom masker, spejle og mere kraftfulde lasere - for at forbedre printerens opløsning. Hastighed er også et problem. Den struktur, jeg så, tog 12 timer at udskrive. Et komplet, detaljeret lungestillads ville tage et år at bygge med den samme printer.

Bioprinting

Nogle bioprintede væv er tæt på at finde medicinske anvendelser. Et hold i Spanien har udskrevet hud, som de mener kunne bruges på brandsårpatienter. Alligevel er alle de væv, der fremstilles i dag, papirtynde. Det skal de være, for de mangler blodkar. Enhver større og et væv ville dø indefra og ud.

Mens nogle forskere har printet prototyper af levende blodkar, forbliver disse bestræbelser begyndende. Indtil videre har ingen gjort krav på en pris på $300.000, som NASA har tilbudt til den første videnskabsmand, der er i stand til at printe levende væv en centimeter tykt. Et par menneskelunger er meget mere omfattende og vejer omkring tre pund.

Nogle virksomheder siger, at det stadig er for tidligt at tale om at printe hele organer. Vi tror alle, at det bliver muligt på et tidspunkt i fremtiden. Hvor vi er forskellige er, hvor lang tid det vil tage, siger Sharon Presnell, chefforsker for Organovo, et californisk firma, der har udskrevet tynde, elastiske leverark. Kan man få noget i den størrelse med en kar, og kan det tage fysiologisk pres? De fleste af os forsøger at gå, før vi løber.

Tilføjelse af celler

Dog ikke United. Det siger, at problemet med andre indsatser er, at de bruger ekstruderingsmetoder, hvor de klemmer celler og proteiner gennem fine nåle. Luis Alvarez, bioingeniøren, der leder Uniteds organfremstillingsgruppe, sammenligner printceller med at skubbe vandballoner gennem et sugerør. Han siger, din udskriftsopløsning er begrænset af cellens størrelse.

I stedet er Uniteds plan først at udskrive et lungestillads og derefter infundere det med menneskelige celler, en proces kaldet recellularisering.

Der er tidlige beviser for, at en kollagenmatrix kan omdannes tilbage til en fungerende lunge. I år, i et eksperiment delvist finansieret af United, rapporterede Harvard University's eksperimentelle kirurg Harald Ott, at han havde pumpet milliarder af menneskelige celler (fra navlestrenge og lunger i terninger) ind i en griselunge, der var strippet for sine egne celler. Da Otts hold genforbundne det til en grises kredsløb, viste det resulterende organ rudimentær funktion, selvom eksperimentet kun varede en time.

Du får blod gennem systemet, og du får gasudveksling, siger Finn Hawkins, en stamcellebiolog ved Boston University, som ikke er involveret i Uniteds projekt. Det er bemærkelsesværdigt. Men det er langt til transplanterbare organer.

Hawkins siger, at Otts organer manglede vigtige celletyper, som de bølgede cilia, der fjerner slim. Hvad mere er, er det stadig uklart, hvordan man opnår menneskelige celler i de mængder, der er nødvendige for at forsyne en fremtidig organfabrik. Der er ikke nok menneskelige lunger fra afdøde donorer til at imødekomme efterspørgslen.

United siger, at de planlægger at bruge stamceller til at fremstille det nødvendige væv i deres laboratorier, men det er heller ikke nogen nem opgave.

Jeg tror, ​​at bioprint kan være den mindst problematiske del af det, siger Hawkins. Så snart du nævner noget, der er større end en mus, vil jeg sige, at det er svært at lave den mængde celler.

Nye orgler

Hvis organer kunne fremstilles i stort antal, ville det ikke kun løse organmanglen. Det kunne i sidste ende omforme menneskets levetid. Hvad med at få et nyt hjerte eller lunger ved 80?

For at nå dertil bliver United nødt til at trække ikke én, men flere teknologiske moonshots. Alvarez siger, at United forventer, at dets forskellige teknologiprojekter - det 3-D-printede stillads, recellulariseringsteknikken og dets indsats for at fremstille lungevæv fra stamceller - alle vil krydse hinanden engang i fremtiden.

Når vi når at udskrive den fineste del af lungen, siger han, ved vi, hvordan vi recellulariserer den.

skjule