In de poging om longen te printen en ze leven in te blazen met stamcellen

Met dank aan 3D-systemen

Vorige maand had ik de kans om een ​​replica van het bovenste deel van een menselijke luchtweg vast te houden - de luchtpijp plus de eerste twee bronchiën. Het was gemaakt van collageen, het biologische cement dat ons lichaam bij elkaar houdt. Het was glad en hol, met de consistentie van onvoldoende verhitte pasta.

De structuur was voortgekomen uit een 3D-printer ter grootte van een koelkast in Manchester, New Hampshire, bij een buitenpost van United Therapeutics, een bedrijf dat meer dan een miljard dollar per jaar verdient met de verkoop van medicijnen voor de behandeling van longaandoeningen.

Op een dag, zegt het bedrijf, is het van plan om een ​​printer als deze te gebruiken om menselijke longen in onbeperkte hoeveelheden te produceren en het ernstige tekort aan donororganen te verhelpen.

Het bioprinten van weefsel is geen nieuw idee. 3D-printers kunnen menselijke huid maken, zelfs netvliezen. Toch is de methode tot nu toe beperkt gebleven tot weefsels die erg klein of erg dun zijn en geen bloedvaten hebben.

United ontwikkelt in plaats daarvan een printer die naar haar mening in staat zal zijn om binnen een paar jaar een solide, rubberachtige omtrek van een long tot in de kleinste details te vervaardigen, inclusief alle 23 dalende takken van de luchtwegen, de gasuitwisselende longblaasjes en een delicate netwerk van haarvaten.

Een long gemaakt van collageen zal niemand helpen: het is voor een echte long wat een rubberen kip is voor een echte kip. Dus United ontwikkelt ook manieren om de matrix te impregneren met menselijke cellen, zodat ze zich eraan hechten en erin graven, waardoor het levend wordt.

We proberen kleine huisjes te bouwen voor cellen om in te leven, zegt Derek Morris, een projectleider in de orgelproductiegroep van United.

Orgel ondernemer

Het 3D-printproject is het laatste in een reeks van high-wire engineering-inspanningen gelanceerd door United's CEO, Martine Rothblatt, een eenmalige ruimtevaartondernemer (zij was de oprichter van Sirius Satellite Radio) die in de jaren negentig van carrière veranderde nadat haar dochter kreeg een zeldzame longziekte.

Bij het creëren van United, verzilverde Rothblatt een verlaten medicijn dat ze voor $ 25.000 ophaalde in een bedrijf dat haar de... best betaalde CEO in de biofarmaceutische industrie vorig jaar —toen ze ook een snelheidsrecord in een elektrische helikopter. Rothblatt zegt dat ze verwacht dat elektrische drones op een dag orgels van haar fabriek naar waar ze nodig zijn, zullen zwaaien.

United heeft al enkele riskante orgelweddenschappen gedaan. Een van zijn dochterondernemingen, Revvicor, voorziet chirurgen van harten, nieren en longen van genetisch gemanipuleerde varkens (deze zijn tot nu toe bij bavianen gebruikt). Een andere, Lung Bioengineering, renoveert longen van menselijke donoren door er warme oplossing in te pompen. Ongeveer 250 mensen hebben al longen gekregen die anders als medisch afval zouden zijn aangemerkt.

Verwacht niet snel volledig gefabriceerde orgels. United voorspelt in zijn bedrijfsprojecties dat het niet nog eens 12 jaar zal gebeuren. Rothblatt erkent dat de gedrukte structuur die ik zag slechts een begin is. Het zijn maar twee takken en geen cellen, zegt ze.

Toch is de inspanning van United om hele orgels te drukken, die vorig jaar van start ging, misschien wel de grootste in de industrie. Het huurde een bedrijf uit South Carolina, 3D Systems, in om de printer te bouwen en betaalt een ander bedrijf, 3Scan, om de longen in stukken te snijden en gedetailleerde kaarten van hun interieur te maken. Het heeft vacatures voor rollen zoals Wiskundige-Human Organ Design.

De orgelproductiegroep van United is gevestigd in hetzelfde complex van voormalige textielfabrieken als BioFabUSA, een weefselprintinitiatief van het Amerikaanse ministerie van Defensie ter waarde van 80 miljoen dollar. Dean Kamen, de bekende uitvinder die BioFabUSA leidt, zegt dat ontmoetingen met Rothblatt hem ertoe brachten om zich bij de overheid aan te melden om het instituut te hosten. Ik zag wonderen waarmee ze speelt en de frustratie van de apparatuur die ze daarvoor gebruikt, zegt hij. Volgens Kamen worden biologen gehinderd door wat hij noemt 19e-eeuwse technologie van kolven en bekers.

3d printen

De collageenprinter die 3D Systems nu gebruikt, werkt volgens een methode die stereolithografie wordt genoemd. Een UV-laser flikkert door een ondiepe plas collageen die is gedoteerd met lichtgevoelige moleculen. Waar de laser ook blijft hangen, het collageen geneest en wordt stevig. Geleidelijk wordt het te printen object verlaagd en worden nieuwe lagen toegevoegd.

United's CEO, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

De printer kan op dit moment collageen neerleggen met een resolutie van zo'n 20 micrometer, aldus United. Het afdrukken van de anatomische details van een long vereist echter kenmerken die kleiner zijn dan een micrometer.

Als je de complexiteit van de long ziet, wat de natuur doet van conceptie tot geboorte, is er geen manier om die te bewerken of te vormen. 3D-printen is de enige manier om die geometrie te creëren, zegt Pedro Mendoza, directeur bioprinting bij 3DSystems.

Mendoza zegt dat 3D Systems van plan is technieken uit de halfgeleiderindustrie te importeren, zoals maskers, spiegels en krachtigere lasers, om de resolutie van de printer te verbeteren. Snelheid is ook een issue. De structuur die ik zag duurde 12 uur om af te drukken. Een complete, gedetailleerde longsteiger zou een jaar in beslag nemen om met dezelfde printer te bouwen.

Bioprinting

Sommige bioprinted weefsels zijn bijna medisch gebruikt. Een team in Spanje heeft een huid geprint waarvan het denkt dat het kan worden gebruikt bij patiënten met brandwonden. Toch zijn alle tissues die tegenwoordig worden gemaakt flinterdun. Dat moet wel, want ze hebben geen bloedvaten. Elke grotere en een weefsel zou van binnenuit sterven.

Hoewel sommige onderzoekers prototypes van levende bloedvaten hebben afgedrukt, zijn deze inspanningen nog niet begonnen. Tot nu toe heeft niemand een prijs van $ 300.000 opgeëist die door NASA is aangeboden aan de eerste wetenschapper die levend weefsel van één centimeter dik kan afdrukken. Een paar menselijke longen is veel groter en weegt ongeveer drie pond.

Sommige bedrijven zeggen dat het nog voorbarig is om te praten over het printen van hele orgels. We denken allemaal dat het op een bepaald moment in de toekomst mogelijk zal zijn. Waar we van verschillen, is hoe lang het zal duren, zegt Sharon Presnell, hoofdwetenschapper van Organovo, een Californisch bedrijf dat dunne, elastische vellen lever heeft geprint. Kun je iets van die grootte krijgen met een vaatstelsel en kan het fysiologische druk aan? De meesten van ons proberen te lopen voordat we rennen.

Cellen toevoegen

Toch niet United. Het zegt dat het probleem met andere inspanningen is dat ze extrusiemethoden gebruiken, waarbij cellen en eiwitten door fijne naalden worden geperst. Luis Alvarez, de bio-ingenieur die aan het hoofd staat van de orgelproductiegroep van United, vergelijkt het printen van cellen met het duwen van waterballonnen door een rietje. Hij zegt: Uw afdrukresolutie wordt beperkt door de grootte van de cel.

In plaats daarvan is het plan van United om eerst een longsteiger te printen en deze vervolgens te infuseren met menselijke cellen, een proces dat recellularisatie wordt genoemd.

Er is vroeg bewijs dat een collageenmatrix weer kan worden omgezet in een functionerende long. Dit jaar meldde Harald Ott, experimenteel chirurg van de Harvard University, in een experiment dat gedeeltelijk werd gefinancierd door United, dat hij miljarden menselijke cellen (van navelstrengen en in blokjes gesneden longen) in een varkenslong had gepompt die was ontdaan van zijn eigen cellen. Toen het team van Ott het opnieuw verbond met de bloedsomloop van een varken, vertoonde het resulterende orgaan een rudimentaire functie, hoewel het experiment slechts een uur duurde.

Je krijgt bloed door het systeem en je krijgt ook gasuitwisseling, zegt Finn Hawkins, een stamcelbioloog aan de Boston University, die niet betrokken is bij het project van United. Dat is opmerkelijk. Maar het is een lange weg naar transplanteerbare organen.

Hawkins zegt dat de organen van Ott belangrijke celtypen misten, zoals de golvende trilhaartjes die slijm verwijderen. Bovendien blijft het onduidelijk hoe we menselijke cellen kunnen verkrijgen in de hoeveelheden die nodig zijn om een ​​toekomstige orgaanfabriek te bevoorraden. Er zijn niet genoeg menselijke longen van overleden donoren om aan de vraag te voldoen.

United zegt dat het van plan is stamcellen te gebruiken om het benodigde weefsel in zijn laboratoria te produceren, maar dat is ook geen gemakkelijke taak.

Ik denk dat bioprinten misschien wel het minst problematische deel is, zegt Hawkins. Zodra je iets zegt dat groter is dan een muis, zou ik zeggen dat het moeilijk is om die hoeveelheid cellen te maken.

nieuwe orgels

Als orgels in grote aantallen zouden kunnen worden vervaardigd, zou dat niet alleen het orgeltekort oplossen. Het zou uiteindelijk de levensduur van de mens kunnen veranderen. Hoe zit het met het krijgen van een nieuw hart of nieuwe longen op 80?

Om daar te komen, zal United niet één maar meerdere technologische moonshots moeten maken. Toch zegt Alvarez dat United verwacht dat zijn verschillende technologieprojecten - de 3D-geprinte steiger, de recellularisatietechniek en zijn poging om longweefsel uit stamcellen te maken - elkaar ergens in de toekomst zullen kruisen.

Tegen de tijd dat we het fijnste deel van de long kunnen afdrukken, zullen we, zegt hij, weten hoe we het opnieuw van cellen moeten voorzien.

zich verstoppen