Forsker: Vi er ikke så langt fra at kunne printe og konstruere nyt væv

På et tidspunkt i fremtiden vil det formentlig blive standard, at læger kan printe væv til at erstatte f.eks. muskler og organer i deres patienter.

Det kan være, at en patient har problemer med lever, nyrer eller lunger. Det vil ikke være et problem, da lægen bare printer nye organer i en 3D-vævsprinter og derefter indopererer de printede organer i patienten.

Det kan også være, at en patient har været ude for en alvorlig ulykke, hvor det har været nødvendigt at fjerne et stykke af en muskel. Det kan lægen også bare printe ud.

Det kan lyde som vild fiktion, men der kommer et tidspunkt, hvor det bliver til virkelighed, og faktisk arbejder forskere over hele verden på at gøre det til realitet.

Forskningen er kommet så langt, at danske forskere nu har udgivet et review, der er publiceret i Science, om, hvad der skal til, før denne sundhedsteknologi kommer helt i mål.

Hvis vi ikke kan skabe væv, som er fri af de nuværende biomaterialer, får vi problemer med at få vævene til at vokse

Alireza Dolatshahi-Pirouz, forskningsleder og lektor, Department of Health Technology DTU

En af forskerne bag reviewet er forskningsleder og lektor Alireza Dolatshahi-Pirouz fra Department of Health Technology ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

»I fremtiden kommer vi til at kunne kurere en hel masse sygdomme ved hjælp af celleterapi og celleprintere, hvor man laver de væv, som mangler, fra bunden af. Det kommer til at være en behandlingsmulighed inden for alt fra knogleskørhed og hjertekarsygdomme til muskelskader. Faktisk er vi i dag ikke så langt fra at kunne printe og konstruere nyt væv, men vi mangler at få løst forskellige problemer for at komme helt i mål med teknologien,« fortæller han.

Komplekst at lave organer og væv

Som udviklingen går, kan man godt se for sig, at fremtidens sundhedsteknologi kommer til at være vildere, end vi overhovedet kan forestille os.

Men inden lægerne kan komme i gang med at bioprinte celler og væv, skal der dog løses nogle helt lavpraktiske problemer i teknologien, og det er dem, som Alireza Dolatshahi-Pirouz med sine kolleger peger på i reviewet.

Et af de problemer er hele problemstillingen omkring at levere celler og væv i patienten og få dem til at blive på det rigtige sted.

Implanterer man f.eks. leverceller i kroppen hos en patient med leverskade, skal cellerne gerne blive i leveren og ikke ende op alle mulige andre steder i kroppen.

Det problem forsøger forskere i dag at løse med forskellige biomaterialer, der indkapsler cellerne og får dem til at blive lige akkurat der, hvor de skal være. De nuværende biomaterialer har desværre også den egenskab, at de begrænser cellernes naturlige vækst.

Hvis cellernes vækst bliver begrænset, kan det være svært at få nok celler til at udbedre en given skade, og cellerne kan også danne strukturer, der ikke fungerer helt, som de gerne skal gøre.

»Hvis man skal udbrede en skade i kroppen eller konstruere et helt nyt organ, har man brug for rigtig mange celler for at kunne gøre en forskel. Hvis vi ikke kan skabe væv, som er fri af de nuværende biomaterialer, får vi problemer med at få vævene til at vokse og få den korrekte struktur og form. Man kan for eksempel forestille sig, at cellelag i organer bliver for tykke, hvilket vil sætte grænser for tilførslen af blod og ilt ind i vævene eller organerne,« forklarer Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Forsker har fundet en løsning

Alireza Dolatshahi-Pirouz har i sin egen forskning faktisk identificeret et biomateriale, der rummer et stort potentiale inden for tredimensionel bioprintning af væv.

Organer og væv har en specifik struktur og celleorganisation, som vi skal være i stand til at genskabe hurtigt i bioprintede materialer

Alireza Dolatshahi-Pirouz, forskningsleder og lektor, Department of Health Technology DTU

De materialer, som man benytter inden for bioprintning i dag, er syntetiske, elastiske og robuste, men ikke særligt biovenlige, og så er de også hundedyre at producere.

Andre er biovenlige, men ikke særligt robuste og går hurtigt i stykker – også inde i kroppen.

Det biomateriale, som Alireza Dolatshahi-Pirouz har fundet frem til i sin forskning, hedder Pantoan Methacrylate (PAMA) og kan udvindes billigt fra bakterien Pantoea sp.

PAMA er en hydrogel, der både er elastisk, biovenlig og robust, og da den kan laves af bakterier, er den samtidig billig at producere.

»Celler trives bedst på naturlige biomaterialer, men disse er ikke ideelle at implantere i kroppen, fordi de ikke kan bevare deres form. I vores forsøg har vi demonstreret, at vi kan få celler til at vokse på PAMA og differentiere sig til muskelceller,« forklarer Alireza Dolatshahi-Pirouz.

»Samtidig har PAMA den fordel, at det er meget elastisk, hvilket er en egenskab, som muskelceller har brug for, når de vokser. Og så er PAMA bionedbrydeligt, så cellerne kan få bedre vækstmuligheder inde i kroppen. Det gør PAMA til et interessant materiale til bioprintning af celler med henblik på implantation,« uddyber han.

Forskningen er offentliggjort i Bioactive Materials.

Testet på rotter

Faktisk har forskerne allerede vist, hvad PAMA kan gøre inden for bioprintede væv.

Det har de gjort i rotter, som havde fået fjernet et stykke af lårmusklen. Efterfølgende satte forskerne PAMA ind i hulrummet i rotternes lår og lod det danne nyt muskelvæv der.

Det ledte til, at rotterne, som havde fået indopereret PAMA, dannede dobbelt så mange muskelfibre sammenlignet med rotter, der ikke blev behandlet med kunstigt væv.

De dannede også mindre arvæv.

»Det tyder på, at PAMA kan være et lovende alternativ til syntetiske materialer, der bruges til at dyrke celler i forbindelse med vævsterapier. Vi har vist, at det har potentiale inden for genskabelsen af muskler, men det kan også anvendes i andre typer vævsterapi, hvor man ønsker at erstatte mistet væv med et kunstigt biomateriale,« siger Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Langsomme print

Det er selvfølgelig tanken med en bioprinter til væv og organer, at de på sigt skal kunne printe præcise tredimensionelle strukturer, men det er lettere sagt end gjort, og det er også et af de huller, der ifølge reviewet skal udfyldes.

I dag er det faktisk muligt at printe enkelte cellelag, men når det kommer til at printe i 3D, løber forskerne ind i problemer.

I reviewet gennemgår Alireza Dolatshahi-Pirouz med sine kolleger, hvor tæt forskningen er på at levere bioprintere til at printe i 3D, og den gennemgang viser, at det faktisk er muligt at printe i 3D, men kun ved brug af biomaterialer.

En anden mulighed inden for celle- og vævsterapi er at erstatte ødelagte organer med såkaldte organoider, der er en slags miniorganer, som kan dyrkes i laboratoriet eller printes med en bioprinter.

Problemet med at dyrke organoider til at erstatte organer hos patienter er dog, at det tager lang tid for sådan et miniorgan at vækste. Det tager flere uger. De eksisterende bioprintere skal også bruge rigtig lang tid på at skabe selv simple cellulære strukturer.

For patienten på operationsbordet vil det ofte være for lang tid.

Netop den hastighed, som nyt væv bliver lavet med, er et af de punkter, som forskerne peger på i reviewet.

»Organer og væv har en specifik struktur og celleorganisation, som vi skal være i stand til at genskabe hurtigt i bioprintede materialer. Vævet skal, når det indsættes i kroppen, allerede have den nødvendige funktion og struktur for at fungere optimalt, og det kræver, at vi forstår den unikke arkitektur i hvert væv og hurtigt kan rekonstruere den omkring et stillads, som vi bygger vævet op omkring med en bioprinter. Ellers vil for eksempel hjertemuskelvæv ikke kunne generere den nødvendige kraft, og så hjælper det ikke meget at sætte det ind i patienten,« forklarer Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Stamceller kan blive til alle typer celler

Alireza Dolatshahi-Pirouz forklarer også, at stamceller formentlig vil spille en central rolle i fremtidens vævserstattende celleterapier.

En af stamcellernes store fordele er, at de har evnen til at dele sig og udvikle sig til enhver type celle i kroppen.

De bruges allerede i dag i forskellige behandlingssammenhænge, og erfaringerne viser, at stamceller blandt andet udskiller vækstfaktorer, der fremmer hurtigere vævsheling og dermed kan sikre en bedre integration af nyt og gammelt væv.

Alireza Dolatshahi-Pirouz ser en fremtid for sig, hvor stamceller fra navlestrengen bliver opsamlet ved fødslen og gemt til brug senere i livet, hvis personen skulle få behov for væv eller organer som følge af sygdom eller skade.

De samme stamceller kan også anvendes til at danne de nødvendige celletyper og lag i specifikke væv i forbindelse med 3D-bioprintning.

»Målet er at kunne printe celler i de rette tredimensionelle strukturer med den rigtige arkitektur – helst uden brug af biomaterialer. Der er vi ikke endnu. Organoider er interessante, men vi ved ikke, om de vil vokse ukontrolleret, når de først er implanteret i kroppen, hvilket kunne skabe problemer. Derfor vil de i første omgang være mest nyttige til forskning. Der er allerede gjort nogle lovende fremskridt, men vi står stadig overfor udfordringer, som, vi forventer, vil blive løst i fremtiden,« siger Alireza Dolatshahi-Pirouz.