Představte si, že by bylo možné nahradit váš nemocný nebo opotřebovaný orgán novým, vyrobeným z vašich vlastních buněk. Má vaše srdce „poruchu“? Nevadí! Nová svalová tkáň nebo celé srdce bude k dispozici ještě před tím, než se transplantace stane životně nezbytnou. Ledviny nepracují? Namísto dialýzy se připraví k implantaci nová ledvina. Dlouhé pořadníky, nekonečné čekání na vhodného dárce, podávání imunosupresiv a riziko odmítnutí transplantátu tělem by se mohlo stát minulostí. Taková je vize Gabora Forgacse, profesora fyziky z University of Missouri.
Fyzik nebo biolog?
To co Forgacse dnes zajímá je něco zcela jiného, než to čím žil v době kdy získal svůj doktorát v roce 1978 na Eotvos Lorand University v Budapešti a na Landauově Institutu v Moskvě. „Byl jsem až otravně teoretický fyzik. Nic mě nezajímalo víc než výpočty,“ říká. „ A pak si najednou uvědomíte, že je na světě dva a půl člověka, kteří možná rozumí tomu, co děláte a třeba je to ani nezajímá.“
V osmdesátých letech 20. století cestoval Forgacs z univerzity na univerzitu ve Spojených státech a v Evropě, vyhýbajíc se politice a laboratořím v Maďarsku. Potom jej v roce 1990 při pobytu v USA, kolega biolog pozval do své laboratoře na konzultaci. A na tomto projektu se Forgacs „zaháčkoval“ v biologii.
Forgacs se proto vrátil do školy, aby se doučil biologii, a tak se objevil na Clarkson University v Potsdamu, Woods Hole Marine Biological Laboratory v Massachusetts a konečně na Princeton University.
Když začínal svou novou kariéru, bylo dost neobvyklé, aby fyzik a biolog komunikovali mezi sebou. „Musel jsem přesvědčit lidi kolem sebe, že rozumím i biologii. Nyní je to vcelku normální, ale tehdy jsem byl považován, no řekněme - za podivína.“
Sám sebe Forgacs teď vidí jako fyzika fušujícího do biologie. Jedním důvodem proč dělá to, co dělá, jsou finance. Federální financování v této oblasti mělo v devadesátých letech přímo raketový start. Další důvod je intelektuální. Biologie postoupila k bodu, kde je plno otázek a ty se pro fyziky také stávají lákavou výzvou k jejich řešení. „Biologie je tvořena samoorganizovanými systémy, které mají tak mnoho variability, tak mnoho možností zpětné vazby,“ řekl. „Je to tak zatraceně složité a lákavé.“
Jak se tisknou orgány
Ve své laboratoři Gabor Forgacs předvedl, že je možné „vytisknout“ strukturu podobnou krevní cévě. Systematickým tiskem kružnic z „inkoustu“ tvořeného lidskými buňkami a postupným skládáním jednotlivých vrstev těchto kružnic na sebe je schopen vytvořit živoucí „válec“ tkáně se strukturou z mnoha vrstev buněk tak, jak se objevují ve skutečných lidských žílách a tepnách.
S využitím stejné techniky sestavil buňky kuřecího srdce do tkáně, která pulsovala právě tak, jako srdce. Jeho cílem je začít vyrábět krevní cévy, které budou mít chirurgové kdykoli k dispozici, a doufá, že se mu jednoho dne podaří v laboratorních podmínkách vytvořit celé náhradní orgány. Kosti, ledviny, srdce, játra,... všechno sestavené z buněk kultivovaných od toho konkrétního jedince, který by měl nový orgán dostat. Odmítnutí transplantované tkáně by se díky tomu stalo problémem minulosti.
Gabor Forgacs zahájil svou kariéru v rodném Maďarsku jako teoretický fyzik. „Fyzikové jsou dobrodruzi,“ říká. „Chtějí jít tam, kde jsou výzvy. A biologie je neuvěřitelná výzva.“ Se svojí vizí tkáňového inženýrství přišel na University of Missouri v roce 2000. S pětimiliónovým grantem National Science Foundation a velkým mezinárodním týmem vědců razí Forgacs cestu pro postupy sestavování tkání, který se radikálně odlišuje od konvenčních metod používaných většinou dalších výzkumníků v tomto oboru.
Tkáně na „kostře“
Klasické tkáňové inženýrství používá pro výrobu nových tkání „kostry“, struktury ve tvaru orgánů, které jsou vytvořeny z „biologicky příznivých“ materiálů. To zahrnuje buď přirozené materiály, jakými jsou například kolagen a elastin, nebo syntetické, jako jsou například biodegradovatelné polymery. Inženýři ukládají buňky na tuto „kostru“ a udržují jejich buněčnou výživu omýváním tkáňovými medii, aby se mohly množit a růst a vyplnit postupně celou strukturu. Pokud jde vše dobře, tak se „kostra“ posléze “ztratí“ a zůstane jen hotová tkáň.
Anthony Atala je dalším z velkých hráčů na poli tkáňového inženýrství. Na Wake Forest University měl největší úspěch s využitím metody s použitím „kostry“. Vytvořil nový, funkční močový měchýř. Sedm dětí postižených rozštěpem obratle, inkontinencí a poškozením ledvin již má nové orgány a Anthony připravuje další klinické testy.
„Velkým přínosem jeho přístupu bylo nalezení toho správného materiálu pro vytvoření potřebné „kostry“. Rozdílné buňky potřebují rozdílné prostředí a složité orgány jsou vytvořeny z různých buněk. Atalovi trvalo roky, než objevil ten správný postup pro sestavení močového měchýře,“ říká Forgacs.
Ne každý vědec má štěstí
„Jeden z výzkumníků, zkoušel vytvořit krevní cévu „očkováním“ válcové kostry buňkami. Ale „kostra“ nebyla na konci celého procesu dostatečně biodegradována a to bránilo plynulému protékání krve umělou cévou. Zbytek kostry stále částečně vyplňoval vnitřek cévy, nevytvořila se cévní výstelka a to způsobovalo problémy,“ říká Forgacs.
Proto Forgacs a jeho kolegové přistoupili k zásadní inovaci. Jejich metoda tvorby krevní cévy se vzdává „kostry“ úplně. Namísto toho využívájí své („tiskařské“) technologie , která lépe vyhovuje přirozeným vlastnostem buněk, které pak snadno tvoří kolonie se vzhledem podobajícím se přirozené tkáni.
Glenn Prestwich, odborník na organickou chemii z University of Utah-Salt Lake City a další člen Forgacsova výzkumného tým to komentuje slovy: „Lidé zkoušeli sestrojit „kostry“ se stále vzrůstající složitostí konstrukce, a ta se nakonec stala „pastí“ jejich vlastní složitosti.“
Jde to i bez kostry
Centrem Forgacsovy laboratoře je „biotiskárna“, stroj velikosti velké chladničky, který používá k sestavení krevních cév. Tuto „biotiskárnu“ si rozhodně nemůžete představovat jako inkoustovou tiskárnu používanou k osobnímu počítači, ačkoliv jiní výzkumníci modifikovali konvenční inkoustové trysky pro tkáňové inženýrství.
„Jak je to fascinující přístroj, tak veliké jsou s ním problémy,“ říká. „S teplem, elektřinou a tryskami to jako „inkoustová tiskárna“ není příliš přátelské k životu.“ Mnoho buněk, které byly použity pro testování odumřelo v průběhu dlouhého vývoje tiskového procesu. Nakonec se ukázalo, že buňky mohou přežít tisk,“ říká Forgacs, „takže je vlastně možné vyrábět tkáně v tiskárně.“ Jak to vypadá, ukazuje prezentace:
Původně byla tato metoda velmi pomalá. Inkoustové trysky vystřikovaly jednotlivé buňky, ale orgány se skládají z miliónů buněk. Proto Forgacs používá svou „biotiskárnu“, která dodává milióny buněk najednou. K vytvoření krevní cévy, kultivuje tři primární typy buněk: pojivové tkáňové buňky nazývané fibroblasty, které tvoří vnější vrstvu; svalové buňky, které formují střední vrstvu a endoteliální buňky, které vyplňují cévy. Pak Forgacs kombinuje buňky ve správných poměrech a formuje je do droboučkých kuliček, každou o průměru asi půl milimetru nebo i méně a obsahující 10 až 30 tisíc buněk.
Forgacsova tiskárna nejprve vytvoří gelový povlak („biopapír“) a na takto vytvořenou vrstvu schopnou přijímat bioinkoust jsou tryskami nastříkány kapičky v nichž jsou shluky buněk.
Celý proces zabere asi 15 minut. „Zvládli jsme tisknout šest nebo sedm vrstev najednou,“ říká Forgacs. „Ale opravdu tu není žádné technické omezení.“
Hromada „potištěných“ archů „biopapíru“ dozrává v „bioreaktoru“, což je inkubátor nastavený na správnou teplotu a vlhkost, poskytující setrvalý tok media pumpovaného pod tlakem napodobujícím prostředí krevní cévy. V „bioreaktoru“ se pak jakoby kouzlem během týdne jednotlivé kuličky buněk pomalu spojí, a vytvoří souvislou pružnou trubičku.
Zkouší se různé metody tisku. Od nanášení buněk v mediu, které připomíná vytlačování zubní pasty, přes „prskání“ buněk odobné tomu jaké je ve skutečných inkoustových tiskárnách, až po přesnějšímu umísťování buněk na správné místo využitím kapiláry zvláštního tvaru. Ta je ponořena do tiskařského gelu. Hrot trysky připomínající obrácený talíř jí dovoluje procházet gelem jako nůž máslem a netrhat jej ani při rychlém tisku.
Orgány
Vytvoří tyto buňky něco srovnatelného se skutečným orgánem? Forgacs při pokusech zjistil, že ano. Když „vytisknul“ kuřecí srdeční buňky, byl jejich tlukot nejprve nesynchronizovaný. Ale jak se kuličky spojovaly, začaly buňky tlouci jednohlasně. Experiment demonstroval, že jakmile se jednou tyto kuličky dostanou do kontaktu, propojí se a začnou se chovat jako tkáň, ze které pochází.
Zrovna tak pozoruhodné je, jak se směsice buněčných typů v kuličkách mění v jednotlivé vrstvy tkání tvořících krevní cévu. Fibroblasty migrují na povrch válce, endoteliální buňky zase cestují dovnitř. Svalové buňky si najdou své místo mezi nimi. „Buňky vědí, k čemu jsou určeny,“ říká Forgacs. „Takže jen využíváme toho, co příroda sama umí. A umí to dobře“
K sestrojení delších cév, začal Forgacs tisknout válce podélně, pokládáním paralelních řad buněčných kuliček, které se přidávají a ubírají, jak tiskárna stoupá od jedné vrstvy k další. A protože je Forgacs stále fyzikem, „staví“ své krevní cévy tak, že jejich fyzikální vlastnosti jsou blízké těm skutečným.
„Chceme k tomuto úkolu přistupovat především prakticky,“ říká. „Můžete mít tu nejkrásnější tkáňovou strukturu, ale pokud céva, která je z ní postavena, praskne, je to všechno k ničemu. Chceme vytvořit něco, co bude k užitku.“
Konkurenční metoda stavby krevních cév byla používána společností Cytograft Tissue Engineering z Novato v Kalifornii, která má své cévy v klinických pokusech. V petriho miskách rostou archy fibroblastů. Potom jsou tyto archy rolovány kolem teflonové „trubky“ tak, aby vznikl válec. Endoteliální buňky jsou pak napumpovány do nově vytvořených cév. „Nápad je to sice geniální, ale naše metoda je lepší“ říká Forgacs.
Cévy se musí větvit
Metoda tištění cév na délku umožnila Forgacsovi a jeho týmu další pokrok ve vytváření krevních cév: „tištění“ cév, které se větví tak, jako to dělají skutečné cévy. „Nic nám nebrání ve větvení,“ říká. „Není tu v současnosti žádná jiná metoda, krom té naší, která dokáže vytvářet větvené cévy.“
Schopnost vytvoření systému větvených krevních cév je důležitým krokem na cestě k cíli, kterým je tvoření nových orgánů. Není dostačující, abychom nechali pouze narůst tkáně s tvarem a funkcí orgánů; k přežití musí nové orgány mít potřebnou síť cév, aby mohly být krví vyživovány. „To je vážný problém, s kterým si tkáňové inženýrství dosud nevědělo rady,“ říká Forgacs. „Je to naší největší výzvou. To, co chci udělat před tím, než zemřu, je vaskularizovat tkáň.“
Forgacs předpokládá první využití vaskularizace tkáně orgánů, jako prostředku pro testování toxicity nových léků. Nyní, jsou prováděny tyto testy na zvířatech, ale jejich fyziologie je odlišná té lidské. Nehledě na snahy ochránců práv zvířat. Problémy s některými léky, jako byly například srdeční infarkty a mrtvice, které se objevily ve spojení s populárním lékem na tišení bolesti Vioxx, až poté co byl léta na trhu.
Forgacs to vidí tak, že po vyzkoušení nového léku na zvířatech by se léky aplikovaly „živým“ lidským tkáním v laboratoři – játrům, ledvinám nebo srdeční tkáni. Nyní spolupracuje se společností, Organovo Inc., která hodlá prodávat tištěné orgánové tkáně farmaceutickým společnostem, dle jejich požadavku. A to je podle Forgacse teprve začátek. Na jeho konci má být výroba lidských orgánů pro potřeby medicíny.
Zdroj: University of Missouri
Vladimir Mironov, Center Medical University of South CarolinaMedical Carolina Charleston
Komentář osla:
Brusič drahých kamenů a zrcadel Johanes Gensfleisch (později přijal jméno Gutenberg), by se jistě divil, kam jeho řemeslo dospělo a co všechno si kromě Bible budeme moci jednou vytisknout...