Hämta hjärtat i skrivaren
Den stora trenden med 3d-skrivare har nått medicinen och kan revolutionera allt ifrån läkemedelsutveckling till transplantationskirurgi.
- Vi räknar med att börja sälja vår levervävnad till medicinska labb någon gång under 2014, berättar Mike Renard, affärschef på Organovo.
Det är en mängd parallella utvecklingar det senaste decenniet som gör att Organovo börjar närma sig marknaden med sin utskrivna lever. De första trevande stegen togs i början av 2000-talet när flera olika forskargrupper, bland annat japanen Nakamura, helt enkelt bytte ut bläcket i vanliga bläckstråleskrivare till en lösning med celler och papperet till en gel. Pionjärer som var nyfikna på idén fanns på labb runt om i hela världen.
- Jag och en doktorand, Shirin Ilkhanizadeh, modifierade en vanlig skrivare för ett par år sedan så att vi kunde skriva ut tillväxtfaktorer på en gel, men längre än så kom vi inte då, berättar Ana Teixeira, forskare inom stamcellsbioteknik på Karoliniska insititutet.
Samtidigt utvecklades tekniken för 3D-skrivare inom industrin. Tekniken har vuxit sig stark inom tillverkare av reservdelar och håller även på att sprida sig till hemmiljön. Redan i dag används den också för att skriva ut höftimplantat. Principen är i grunden enkel. I stället för att som i en 2D-skrivare släppa bläck på en särskild punkt definierad utifrån en x- och y-axel lägger 3D-skrivarna till en z-axel. Kopplat till ett datorprogram som scannar av formen på ett föremål går det sedan att enkelt ”skriva ut” eller tillverka en exakt kopia. Vad det blir för material avgörs av vad du använder som bläck. Det är här cellerna kommer in och 3D-skrivarna kan omvandlas till bioprinters, skrivare som skriver ut biologiskt material.
Tekniken är egentligen rätt enkel med en robotarm som släpper droppar av celler på en på förhand bestämd plats i en gel. Men den stora utmaningen är sedan att få olika celltyper att tillsammans bli ett fungerande organ med allt vad det innebär, säger Ana Teixeira.
Det är här som en av Organovos grundare, Gabor Forgac, i början av 2000-talet började använda den kunskap som höll på att växa fram kring stamceller och dess differentiering. Framför allt tog han fasta på cellernas naturliga utveckling när de placeras i närheten av varandra. De flesta celler fäster till sin granncell och bildar små aggregat. När så sker sätter också avancerade differentieringsprocesser igång och cellerna utvecklas till olika typer av celler beroende på den absoluta närmiljön. Den här inneboende kraften i cellerna använder Organovo nu i sina skrivare.
Med hjälp av tre armar i skrivaren skriver de dels ut en hydrogel som ger konstruktionen stadga, de övriga armarna släpper aggregat av celler på specifika punkter. I fallet med levern använde de primära hepatocyter och progenitorceller som inducerats att utvecklas till hepatocyter. När vävnaden skrivits ut ställs den undan i näringslösning under ett par veckor. Det är under den här tiden som mycket av magin sker, när cellerna själva ombildar sig och sätter igång utvecklingen till fungerande vävnad. Hydrogelen som initialt behövs för stadga löses upp eller tvättas bort och resultatet blir en vävnad som utvecklat funktioner som är mycket lika de som förekommer naturligt i kroppen. Hittills har Organovo lyckats skriva ut 3D-vävnad av bland annat muskelceller, lungceller, nervceller, hjärtmuskelceller och benvävnad.
- I dag kan vi använda en mängd olika celltyper i våra skrivare. Vi kan använda adulta stamceller, differentierade celler, pluripotenta celler och så vidare. Det finns två krav på cellerna, det ena är att de har en benägenhet att fästa till varandra och det andra är att de går att odla i hyfsat stora kvantiteter. Har de bara de två egenskaperna går de att använda som bläck i skrivaren, säger Mike Renard på Organovo.
Det första och tydligaste målet för Organovo är att sälja vävnader för forskningsändamål. Att det är levervävnad som prioriteras är inte en slump.
- Vi tror det här kommer kunna påverka hur man forskar fram nya läkemedel. I dag är det mycket kunskap som inte blir uppenbar förrän man testar substanser kliniskt. Den levervävnad vi kan skriva ut kan sannolikt användas för att upptäcka egenskaper hos läkemedelskandidater mycket tidigare, säger Mike Renard.
Efter att de fått ut sin levervävnad på marknaden om något år räknar de med att kunna släppa ytterligare vävnader. Parallellt pågår arbetet med den stora utmaningen: att kunna skriva ut ett helt organ som kan användas till transplantation. De är inte ensamma i den strävan, flera forskargrupper runt om i världen driver projekt med bioprinters där målet är hela fungerande organ.
Det finns många utmaningar kvar, men den främsta är att få
blodkärlen att fungera. Alla organ har avancerade nätverk av mikrokärl som förser cellerna med näring. Lyckas man inte återskapa det dör all vävnad som inte har kontakt med näringslösningen på ytan väldigt snabbt, säger Ana Teixeira.
Mike Renard håller med, och det är också därför som Organovo tidigt fokuserade på just det. De kan sedan ett par år tillbaka skriva ut fungerande blodkärl, men den stora utmaningen med mikrokärlen runt cellerna återstår. Men i och med den senaste utskriften av levervävnad väcktes också hoppet i denna fråga.
– Vi såg att det på olika ställen spontant börjat skapas mikrokärl, så det är möjligt att det även här går att utnyttja naturens egen kraft. Om det är så att de här kärlen kan bildas spontant om vi använder rätt celler är det klart att det i teorin är möjligt att koppla ihop vävnaderna med större kärl och på så sätt skapa mer avancerade organ. Men det här är ännu så länge teorier och ingenting vi testat, säger Mike Renard.
I dagsläget har han svårt att se framför sig att man kommer att lyckas skriva ut hela organ. I stället ser han flera delmål på vägen som en mer realistisk utveckling.
- Vi tror att vi kommer kunna skapa ett slags plåster av vävnad som kan användas i behandling. Till exempel kanske man kan fästa en bit av vår levervävnad på en skadad lever och på så sätt inducera att kroppen själv läker resten, säger Mike Renard.
På samma sätt vill han helst prata om funktionellt lika organ, snarare än rena kopior. Han tar njurar som exempel.
- I dag behöver du dialys när du har tio procent njurfuktion kvar. Om vi på sikt lyckas skriva ut ett njurliknande organ kanske det inte ger patienten en 100 procentig funktion, men säg 30 procent. Det innebär ändå en rejält ökad livskvalitet för patienten, säger han.
Förutom de rent vetenskapliga utmaningarna väntar också de etiska och regulatoriska. Många forskare drar sig för att börja testa vävnaderna kliniskt, väl medvetna om de bakslag som till exempel drabbade genterapin när man skyndade in i klinik för tidigt. Framför allt finns det en oro för att använda inducerade pluripotenta celler där man ännu inte har koll på eventuella risker för tumörer. Mike Renard vill inte svara på hur nära klinik, eller ens djurtester, de är med sina vävnader. Men han har en plan för hur de ska ta sig an den regulatoriska biten.
– Vi argumenterar nu för att våra produkter ska ses som biologisk medicinteknik och hanteras ungefär som avancerade implantat. Vi bygger också reservdelar. Den enda skillnaden är att vi använder biologiskt material, säger han.
