Nyt øre? 3D-printer skaber kunstige kropsdele

Jeg mødte engang en lille dreng, der havde fået bidt sin næse af i et uheldigt møde med en stor hund. Dygtige læger havde lavet en protese og transplanteret hud fra hans baglår op i ansigtet.

Resultatet var imponerende: Et fint ar, der løb fra panden og ned under næsen, men ellers var der intet at se.

Ikke desto mindre var næsen jo ikke længere hans egen.

Hvis amerikanske forskere når helt i land med en ny teknologi, som indtil videre har været 10 år undervejs, vil det i fremtiden være muligt at hjælpe folk i tilsvarende situationer på en endnu mere imponerende måde: Ved simpelthen at printe en ny næse – en rigtig næse, vel at mærke.

Forskergruppens nyeste resultater er udgivet i tidsskriftet Nature Biotechnology.

Kombinerer det bedste fra flere verdener

Den såkaldte 3D-bioprinter er et stort skridt på vejen hen imod at kunne skabe individuelt tilpassede reservedele til den enkelte patient – og den kombinerer det bedste fra flere forskningsfelter, fortæller stamcelleforsker Trine Fink fra Aalborg Universitet:

»Det er ikke en helt ny tankegang, men det er udført på en bedre måde, end vi har set tidligere. De tager det bedste fra flere verdener og sætter det sammen.«

»Denne her forskergruppe med Antony Atala i spidsen er blandt de helt store, og en af deres styrker er netop, at de har eksperter inden for forskellige felter.«

3D-teknologi giver os nye muligheder

3D-bioprintere er maskiner, der udskriver celler i lag i et bestemt mønster – eksempelvis et øre eller en næse – med det formål at skabe funktionelt væv eller organer.

Den nye 3D-bioprinter, som du kan se i fuldt vigør i gang med at printe en kæbe øverst i artiklen, vil i teorien kunne udskrive et hvilket som helst slags menneskeligt væv, skriver forskerne i en pressemeddelelse.

Selvom der er behov for mere forskning og udvikling, før sådant væv kan være egnet til transplantation til patienter, »overvinder det nye system adskillige tekniske hindringer for at nå dette mål,« skriver de.

Den danske lektor Jens Vinge Nygaard, som ikke har været involveret i det nye studie, er enig i, at studiet giver en god indikation af de store muligheder, der ligger i 3D-bioprint.

Den amerikanske forskergruppe, som har skabt den nye 3D-bioprinter, er nogle af de førende på feltet og har publiceret mange studier om 3D-bioprint. Du kan se hovedforfatteren Anthony Atala fortælle, hvor langt vi er nået på feltet generelt, i en Ted Talk i videoen nedenfor.

»3D-print-teknologier får meget opmærksomhed i disse år og med god grund, fordi teknologien giver os nye muligheder for, hvad vi kan skabe i laboratorierne. Dette illustreres meget fint i Atala's artikel, som trækkerne linjerne op for, hvad vi kan forvente os af fremtiden, når vi får styr på, hvordan biomaterialerne skal arbejde sammen med cellerne og kroppen,« skriver Jens Vinge Nygaard, som arbejder ved Institut for Ingeniørvidenskab hos Aarhus Universitet, i en mail til Videnskab.dk.

Den amerikanske forskergruppe, som har skabt den nye 3D-bioprinter, er nogle af de førende på feltet og har publiceret mange studier. Du kan se hovedforfatteren Anthony Atala fortælle, hvor langt vi er nået, i videoen her:

(Video: TED Talk)

Kroppen kan hele sig selv - med lidt hjælp

I det nye studie har forskerne benyttet den nye teknologi til at printe et øre, forskellige typer knogler og muskelstruktur for at vise, at den har potentiale til at kunne bruges bredt i fremtiden. I første omgang skaber forskerne en 3D-computermodel af det manglende væv - en næse, et øre eller en kæbe – for at skabe en fuldstændig individualiseret struktur til patienten.

Derefter sætter de printeren til at skrive ud efter 3D-modellen – det styres af et program, der styrer printerens dyser, som udleverer celler. Til sidst printer de celler ind i strukturen. Herefter tager kroppen selv over. Med tiden omdanner cellerne, i samarbejde med cellerne uden for stilladset, konstruktionen til funktionelt væv.

Det kan lade sig gøre, fordi forskerne bruger et særligt bionedbrydeligt materiale, der giver 'mekanisk styrke', indtil den nyligt dannede væv modnes.

»Man kender det fra, at hvis man brækker en arm, så kan den rettes op igen, sættes i gips, og så vokser den sammen af sig selv. Hvis du derimod har et stykke knogle, som er helt knust, og som man er nødt til at fjerne, så vokser det ikke sammen. Det vil altså sige, at der skal være en struktur, som kroppen kan modellere på – noget, den kan omdanne og reparere. Det er det, den bruger stilladset til,« fortæller lektor Trine Fink, som arbejder ved Institut for Medicin og Sundhedsteknologi på Aalborg Universitet Sundhedsvidenskabelige Fakultet.

Mikrokanaler lader cellerne overleve

Udfordringen ved de eksisterende 3D-teknikker har netop været problemet ved at printe større strukturer. De er ofte for strukturelt ustabile eller skrøbelige til kirurgisk implantation. Denne problemstilling løser forskerne ved at bruge det her særligt stærke, men nedbrydelige materiale.

»Cellerne skal nedbrydes i en hydrogel, og den skal være blød, for at cellerne kan overleve. Men det kan også blive for blødt og porøst, så det falder fra hinanden. De har her muliggjort at printe et materiale, som er blødt og samtidig sikrer en større stabilitet,« forklarer Trine Fink.

Men det er ikke nok at lave stærke materialer. Størrelsesbegrænsningen hænger nemlig også sammen med, at diffusionsgrænsen for næringsstoffer og ilt – som cellerne inde i strukturen skal bruge for at overleve – er omkring 200 mikrometer. Én mikrometer svarer til en milliontedel meter.

Man kan næsten sige sig selv, at det ikke er stort nok til at printe et organ. Den udfordring har forskerne løst ved at indbygge små mikrokanaler, som skal simulere en art blodårer, i stilladset – indtil kroppen har haft tid til at danne sine egne.

»Vi har optimeret det materiale, som holder cellerne, så det fremmer cellernes helbred og vækst, og vi har printet et gitter af mikrokanaler hele vejen gennem strukturen. Disse kanaler lader næringsstoffer og oxygen fra resten af kroppen sprede sig ind i strukturerne og holde dem i live, mens de udvikler et system af blodårer,« forklarer hovedforfatteren bag det nye studie, Anthony Atala, i en mail til Videnskab.dk. Han er professor ved Wake Forest University og arbejder desuden på et børnehospital i Boston.

Svært at time biologiske processer

Den danske lektor Jens Vinge Nygaard har selv tidligere arbejdet med 3D-printet væv til ryggen, hvor han arbejdede med det samme materiale, som forskerne gør i det nye studie. Han kender derfor en del til teknikken – og ikke mindst dens udfordringer.

I Jens Vinge Nygaards studie fra 2013 udelod han og hans kollegaer netop af samme grund at printe celler ind i strukturen. Det er en god løsning, forskerne i det nye studie er nået frem til, mener han:

»Som Atala et al. skriver, så kan de inkludere kanaler i implantatet, som vil facilitere iltforsyningen, også til de celler, der er placeret dybt inde i implantatet, hvilket er en god løsning,« skriver Jens Vinge Nygaard i en mail til Videnskab.dk.

Der kan dog være andre udfordringer forbundet med forskernes materialevalg, mener han.

»Den grundlæggende idé er, at deres implantat med tiden skal nedbrydes, og at det frie volumen, som bliver blotlagt ved denne nedbrydning, skal udfyldes med nyt væv, der skabes af cellerne. Den præcise timing af de biologiske og materialemæssige processer er stadig udfordrende.«

Næste skridt: Print af hjerte, nyre og lever

Der er da også stadig lang vej, før 3D-bioprinteren vil kunne bruges i behandlingen af patienter, medgiver forskerne bag det nye studie. Men på sigt er det altså visionen, at lægerne skal kunne printe knogler, brusk og muskler i alle former og størrelser og kunne give alle patienter en fuldt ud funktionel ny legemsdel.

»Print-metoder har tidligere kun været brugt til at producere små vævssegmenter. Større vævsstrukturer har ikke overlevet, blandt andet fordi de ikke kan få næring nok. Vores forskning beviser, at det er muligt at printe levende vævsstrukturer på menneskeskala,« skriver Anthony Atala til Videnskab.dk.

Men det stopper ikke der, understreger han: Næste skridt bliver at arbejde med lignende metoder til at printe funktionelle organer.

Behandlingen skal være bedre, end det vi har

Trine Fink ser også potentialet for en dag at kunne inddrage de nye muligheder i behandlingen, for eksempel ved kosmetiske operationer eller knogledefekter. Omvendt, påpeger hun, har vi allerede behandlinger til den type operationer.

Man kan lave proteser – som til drengen, der fik næsen bidt af af en hund – og der findes knogle- og vævsbanker. Problemet med for eksempel væv fra knoglebanker er, at der er risiko for infektioner, overførelse af sygdom eller for at vævet bliver afstødt.

»Man kan måske sige, at de tager det næste skridt. Det er ikke noget, der revolutionerer behandlingen her og nu, men de laver et proof of concept – det vil sige, at de viser, at der måske er en fremtid i hele konceptet,« siger hun og slutter:

»De har vist, at det kan fungere i dyremodeller, nu skal de vise det i mennesker også. Der skal de ind og vise, at det kan konkurrere med eksisterende behandling. Det må godt være dyrere – så længe det er bedre.«