Medycyna spersonalizowana: kształtowalne tkanki dzięki druku 3D

W przyszłości w komorach drukowanych w 3D z personalizowanymi kształtami będzie można hodować przeszczepialne, własne tkanki, które mogą przyjąć kształt rany do zamknięcia, na przykład. © Fraunhofer IAP, Zdjęcie: Till Budde

W przypadku poważnych uszkodzeń tkanek miękkich, przeszczep tkanki jest czasami nieodzowny. Dla pacjenta oznacza to jednak poważny zabieg. W przyszłości brakująca tkanka mogłaby rosnąć bezpośrednio w ciele pacjenta – w izolatorkach, które można wszczepić pod skórę i indywidualnie dopasować do geometrii rany. Na targach medycznych MEDICA w Düsseldorfie zaprezentowano trójwymiarowo drukowane komory zespołu badawczego Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP i Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT oraz BG Klinik Ludwigshafen w dniach od 15 do 18 listopada 2021 roku.

Gdy u pacjenta widoczne są struktury takie jak kości, naczynia krwionośne czy ścięgna, często jedynym rozwiązaniem jest przeszczep tkanki dobrze ukrwionej. Dla pacjenta wiąże się to z operacją trwającą kilka godzin i uszkodzeniem zdrowej własnej tkanki. Naukowcy opracowują więc metody oszczędzające tkankę, umożliwiające tworzenie przeszczepów z ukrwioną tkanką, aby celowo zastąpić skórę i inne tkanki. Na przykład można pod skórę przyszyć komory izolacyjne wyłożone kolagenem z teflonu i włożyć do nich pętlę tętnicy lub żyły. Dzięki migracji komórek i wrośnięciu naczyń, kolagen w ciągu dwóch do czterech tygodni zostanie przekształcony w tkankę nadającą się do przeszczepu. To niewielki zabieg, wystarczy miejscowe znieczulenie. W przeciwieństwie do hodowanej w probówkach tkanki, tkanka powstająca w komorze jest w pełni ukrwiona – czyli przeniknięta kapilarami – i dlatego jest ukrwiona. Powstaje więc żywa tkanka łączna, która przyjmuje kształt komory izolacyjnej i nadaje się do przeszczepu, bez konieczności poświęcania zdrowej tkanki dawcy. Kolejną zaletą jest fakt, że tkanka jest wytwarzana z ciała pacjenta, co omija reakcje odrzutu.

Personalizowane hodowle tkanek

Naukowcy z Fraunhofer IAP obecnie oceniają i optymalizują tę technikę w ramach projektu finansowanego przez BMBF FlexLoop (numer projektu 03VP05962) – wspólnie z Fraunhofer ILT i BG Klinik Ludwigshafen – Klinik für Plastische- und Rekonstruktive Chirurgie der Universität Heidelberg. »Dotychczas używaliśmy tylko okrągłych komór izolacyjnych do hodowli tkanek, ale teraz możemy po raz pierwszy dostosować kształt komór izolacyjnych do kształtu defektu miękkich tkanek pacjenta, co pozwala na dalszy rozwój personalizacji i indywidualizacji medycyny«, mówi Dr. Wolfdietrich Meyer, kierownik projektu w Fraunhofer IAP. Umożliwia to druk 3D, który ma zastąpić dotychczasowe frezowanie komór. Ponieważ tradycyjny materiał komór, teflon, nie może być drukowany, eksperci z Fraunhofer ILT korzystają z fotopolimerów. »Druk 3D nie tylko pozwala na nadanie kształtu tkance, ale także opracowaliśmy projekty komór, które umożliwiają jak najwygodniejszą hodowlę tkanek dla pacjentów i prostą obsługę podczas operacji«, wyjaśnia Andreas Hoffmann, kierownik projektu w Fraunhofer ILT.

Naukowcy z Fraunhofer IAP testują zarówno sam materiał, jak i różne kształty komór izolacyjnych. W końcu komora izolacyjna nie może wydzielać produktów rozkładu do ciała pacjenta ani wywoływać reakcji odrzutu, musi być więc biokompatybilna. Jak trwały jest materiał w organizmie człowieka? Czy zmienia się na przykład pod wpływem temperatury ciała? Pierwsze wyniki wyglądają obiecująco. Jeśli chodzi o całe komory izolacyjne, kluczowe są właściwości mechaniczne. Komory są zszywane z otaczającą tkanką lub wszczepiane pod skórę w miejscu bliskim defektowi: w tym przypadku nie mogą się w komorze tworzyć pęknięcia, które mogłyby zagwarantować bezpieczne użytkowanie.

Natomiast lekarze z BG Klinik Ludwigshafen badają, czy rosnąca tkanka może w pełni wypełnić skomplikowane kształty komór izolacyjnych. »Chcemy przede wszystkim pokazać, że jesteśmy w stanie wyhodować w drukowanych 3D komorach tkankę, która – jak element układanki – może całkowicie zamknąć skomplikowany defekt miękkich tkanek. Dodatkowo dokładnie badamy biomechaniczną jakość wyhodowanej tkanki«, wyjaśnia Dr med. Florian Falkner, asystent chirurga plastycznego i rekonstrukcyjnego w BG Klinik Ludwigshafen. Aby ta metoda hodowli tkanek stała się rutynowo stosowana w klinice, potrzeba jeszcze kilku lat rozwoju.