Zespół badaczy z dziedziny inżynierii biomedycznej, prowadzony przez Uniwersytet w Minnesocie, stworzył dzięki drukarce 3D rewolucyjną łatkę, która może pomóc w leczeniu bliznowatej tkanki serca po zawale. Odkrycie to duży krok naprzód w leczeniu pacjentów z uszkodzeniem tkanki po zawale serca. Naukowcy złożyli już patent na swoje odkrycie.
Według Amerykańskiego Towarzystwa Kardiologicznego, choroby serca to pierwsza przyczyna śmierci w Stanach Zjednoczonych, która zabija ponad 360 000 osób rocznie. Podczas zawału serca osoba traci przepływ krwi do mięśnia sercowego co powoduje, że jego komórki umierają. Nasze ciało nie może zregenerować utraconych komórek mięśnia sercowego, dlatego w ich miejscu tworzy się blizna, co niesie za sobą różne zagrożenia takie jak zaburzenia rytmu serca, nieprawidłowa kurczliwość i niewydolność serca.
W tym badaniu naukowcy używali laserowych technik bioprintingu 3D w celu włączenia komórek macierzystych pochodzących z komórek serca ludzkiego na matrycę. Dzięki takim technikom komórki zaczęły rosnąć i pobić jak serce synchronicznie w naczyniu w laboratorium.
Kiedy łatka z komórkami została umieszczona w bliźnie po symulowanym ataku serca u myszy, badacze zauważyli znaczny wzrost pojemności funkcjonalnej serca po zaledwie czterech tygodniach. Ponieważ plaster powstał z komórek i białek strukturalnych pochodzących z serca, stał się jego częścią i został przyjęty do tkanki sercowej bez dalszych zabiegów chirurgicznych.
"To znaczący krok naprzód w walce z jedną z najczęstszych przyczyn śmierci na świecie. Sądzimy, że możemy ten sposób skalibrować i naprawić serca większych zwierząt, a nawet ludzi w ciągu najbliższych kilku lat", informują autorzy badania.
Badania te różnią się od wcześniejszych, ponieważ plaster jest modelowany na trójwymiarowej strukturalnej macierzy białek pochodzącej z tkanki serca. Model cyfrowy jest tworzony w takiej strukturze dzięki drukowaniu 3D z białkami natywnymi dla serca, następnie dalej integrują się one z komórkami mięśnia sercowego i komórkami macierzystymi. Jedynie w przypadku drukowania 3D tego typu możemy osiągnąć jednomilimetrową rozdzielczość potrzebną do naśladowania struktury macierzystej tkanki serca.
"Byliśmy bardzo zaskoczeni tym, jak to działa, biorąc pod uwagę złożoność serca. Komórki ustawiły się w rusztowaniu i pokazały ciągłą falę elektrycznego sygnału, który przesuwał się po plastrze.", relacjonują autorzy.
Naukowcy oświadczyli, że zaczynają kolejny krok. Planują rozwinąć większy plaster, który będzie testowany na mięśniu sercowym świń, które jest podobne do wielkości ludzkiego serca.
Komentarze
[ z 4]
Fantastyczny i absolutnie innowacyjny sposób na leczenie pacjentów po zawale serca. Wydaje mi się, że nasi młodzi odkrywcy w dziedzinie nauk medycznych wciąż pozostają niedocenieni w społeczeństwie, ani niedostatecznie promowani na rynku zagranicznym i to nie tylko Europejskim. Nie wiem jak Państwo, ale ja jestem pod ogromnym wrażeniem za każdym razem kiedy dowiaduję się o nowych pomysłach i wynikach badań zmierzających do opracowania idei i urzeczywistnienia planów. Przecież nasi, często bardzo młodzi inżynierowie wykazują się ogromną wiedzą i zdolnością do jej praktycznego wykorzystania. A warto przy tym pamiętać, że przecież nasz kraj nie jest w stanie i wcale nie organizuje takich nakładów finansowych na rozwój nauki jak to ma na przykład miejsce w Ameryce, czy chociażby bliżej u naszych zachodnich sąsiadów. A i tak w innowacyjności i efektach finalnych w tworzeniu projektów nie odstajemy od wydawałoby się lepszych, bogatszych krajów. Super! Powinniśmy być dumni i promować tak zdolną i wybitną polską młodzież!
To niesamowite w jaki sposób rozwinęła się medycyna w ostatnim czasie i jak bardzo poszła na przód technologia poprawiając możliwości leczenia wielu chorób a tym samym wkładając nam w ręce nowe narzędzia do pracy. Mam nadzieję, że rozwój nauki w dalszym ciągu będzie szedł w tym kierunku stwarzając dla medycyny nowe możliwości. To jak bardzo wszystko poszło do przodu, zwłaszcza poprzez wprowadzanie nowych technologii do świata eskulapa. Rozwój informatyzacji, a jednocześnie przenoszenie zdobyczy nauki na sale operacyjne i gabinety lekarskie. To może się wydawać naturalną koleją rzeczy w świecie który idzie naprzód. Ale trzeba pamiętać, że inżynierowie, osoby projektujące sprzęty mające służyć ochronie zdrowia czy leczeniu wcale niekoniecznie muszą być związane z medycyną. I dla nich nie musi być łatwym zadaniem zaprojektowanie urządzenia, sprzętu czy innego użytecznego w codziennej pracy lekarza elementu. Świetnie, że te dwa światy- informatyków, technologów czy inżynierów oraz lekarzy udaje się razem połączyć i bardzo dobrze wykorzystywać atuty każdego z nich na korzyść całego społeczeństwa i ludzi chorych potrzebujących lekarskiej pomocy.
Super, że wraz z rozwojem technologii jednocześnie rozwijają się możliwości leczenia licznych chorób i problemów zdrowotnych. To jest zdecydowany problem i wydaje mi się, że powinniśmy starać się z nim mierzyć dla dobra pacjentów i nie ukrywajmy- także dla ułatwienia naszej codziennej pracy. To niesamowite, że dzisiaj jesteśmy już z stanie drukować części ciała, które następnie mogą posłużyć do przeszczepu. Cieszę się niezmiernie z faktu, że właśnie informatyzacja i komputeryzacja podążające z rozwojem nowych technologii nie pozostają oderwane od medycyny i również w naszym świecie pojawia się coraz więcej nowych rozwiązań i pomysłów technicznych, które mogą być zastosowane dla dobra chorych.
Technologia druku 3D daje nam możliwość stworzenia różnych kształtów w zależności od konkretnej sytuacji, np. określonej kości. Jeżeli wydrukuje się fragment ubytku kości po resekcji nowotworowej i chcemy wszczepić materiał, który zintegruje się z tkanką kostną, a następnie odbudują się nad nim komórki, musi najpierw zostać wysterylizowany, żeby nie wprowadzać do organizmu niepotrzebnych mikrobów.Wyzwaniem dla medycyny i bioinżynierii jest odbudowa całej krtani, ponieważ przeszczepienie jej od dawcy jest procedurą obarczoną wysokim ryzykiem, biorąc pod uwagę biozgodność i możliwą akceptację narządu. Istnieje wiele możliwości przezwyciężenia tych trudności. Jednym z najnowszych i najskuteczniejszych rozwiązań jest sztuczna krtań. Odpowiedni implant powinien być biokompatybilny i spersonalizowany dla każdego pacjenta. Do wykonania takiego implantu wykorzystuje się sztuczną porowatą krtań rusztowania pokrytą kolagenem i chondrocytami. Porowate rusztowania polimerowe są używane do imitowania struktury narządów i stały się kluczowym elementem trójwymiarowej hodowli komórek. Analiza obrazów pochodzących z nowoczesnych metod tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z możliwością rekonstrukcji trójwymiarowej umożliwia bardzo precyzyjne zaplanowanie allogenicznego podłoża rekonstrukcji. Spełnia ona warunek zabiegu ''spersonalizowanego''. Anatomia i fizjologia krtani determinują parametry fizykochemiczne materiałów użytych do allogenicznej budowy tego narządu. Stosowanie metalicznych pierwiastków takich jak tytan nie jest wskazane, ze względu na brak stabilności tak ciężkiej konstrukcji oraz niski stopień adhezji komórek. Wykorzystanie materiałów ceramicznych, np. apatytu, jest ryzykowne ze względu na mikrośrodowisko śluzu, które może powodować ich degradację. Innowacyjna metoda drukowania części ciała może być przełomem w rekonstrukcji twarzy i pourazowej chirurgii plastycznej.Nad drukarką 3D, która byłaby w stanie tworzyć chrząstki uszu czy nosa pracują walijscy naukowcy. Obecnie do pourazowych rekonstrukcji twarzy na przykład po wypadkach, oparzeniach, nowotworach skóry i wadach wrodzonych, wykorzystuje się tkankę chrząstki pacjenta, najczęściej pobieraną z żeber. Niestety, zabieg ten wiąże się z bliznowaceniem w miejscu pobrania i innymi powikłaniami. Zespół z sukcesem wyizolował ludzkie komórki macierzyste pochodzące z chrząstki nosowo-przegrodowej i wykazał, że mogą one wytwarzać macierz chrząstki poza organizmem człowieka. Co ważne, ta metoda nie wymaga przeprowadzania operacji w celu pobierania chrząstek z innych części ciała pacjenta, a zabieg jest niemal nieinwazyjny.Naukowcy z powodzeniem radzą sobie z drukowaniem komórek i biomateriałów, z których są zbudowane ludzkie tkanki, ale wciąż są dalecy od stworzenia całych funkcjonalnych narządów. Druk trójwymiarowy co prawda jest coraz częściej wykorzystywany w medycynie, np. do produkcji implantów stomatologicznych lub modeli wykorzystywanych przez chirurgów do symulowania przeprowadzanych operacji. Ponadto technologia pozwala na wykorzystanie biotuszu do produkcji komórek, które pozwoliłyby opracować w pełni funkcjonujące narządy. Aby go stworzyć, należy w pierwszej kolejności stworzyć przestrzenne rusztowanie, na którym można by osadzić komórki macierzyste różnicujące się i rozrastające w konkretne tkanki. Niestety, w tym momencie nie ma możliwości aby to zrobić metodami laboratoryjnymi, bo dostępne protokoły biologiczne nie pozwalają na organizację różnych gradientów i wzorców strukturalnych w tkankach, które nie są jednorodne. Dzieje się tak ponieważ nie ma kontroli nad tym, w które miejsce tkanki trafiają właściwe komórki. Takie możliwości oferuje natomiast druk w technice trójwymiarowej, który pozwala bioinżynierom na precyzyjne kierowanie komórek. To z kolei przekłada się na lepsze organoidy, a w końcu może i umożliwić tworzenie organów. Naukowcom z Teksasu udało się wydrukować sztuczny organ, który gdy pojawia się taka konieczność uwalnia odpowiednią ilość hormonu regulującego poziom cukru we krwi. Na dodatek nowy wynalazek jest skuteczniejszy niż prototypy podobnych urządzeń, które powstały na świecie do tej pory. Choć postęp badań nad cukrzycą we współczesnej medycynie jest znaczący, a nawet inteligentne plastry dostarczające pacjentom insulinę nie są dużym zaskoczeniem, to sztuczna trzustka zdolna do wytwarzania insuliny stanowi dużo większe wyzwanie. Pionierami w tej dziedzinie są naukowcy z naszego kraju, którym już kilka lat temu jako pierwszym na świecie udało się wydrukować za pomocą technologii trójwymiarowej bioniczny odpowiednik tego organu.Bioinżynierom z Teksasu za pomocą druku 3D udało się opracować urządzenie imitujące działanie naturalnej trzustki, a także specjalny materiał hydrożelowy stanowiący osłonę dla sprzętu. Dzięki temu praca sprzętu nie zostaje zakłócona, a organizm nie odrzuca sztucznego organu. W ramach trzyletniego projektu naukowego badacze z Teksasu skupią się na tym, aby sztuczna trzustka we właściwym momencie reagowała na różny poziom cukru we krwi i w razie potrzeby uwalniała insulinę w idealnym momencie, w taki sposób, by było to najkorzystniejsze dla pacjenta. Technologia biodruku posłużyła naukowcom do opracowania techniki wytwarzania trójwymiarowych rusztowań wspomagających leczenie złamanych kości u pacjentów z cukrzycą. Rusztowanie to zbudowane jest z komórek macierzystych szpiku kostnego, morfogenicznego białka kości i makrofagów. Cukrzyca może zwiększać ryzyko złamań kości nawet o 300 procent. Wysoki poziom glukozy we krwi utrudnia też proces gojenia. Biodruk trójwymiarowy pozwoli więc usprawnić proces leczenia i ułatwić dostęp do skutecznych terapii. Na początku pandemii wywołanej koronawirusem okazało się, że szpitalom i innym placówkom medycznym nie tylko w naszym kraju brakuje odzieży ochronnej i innego wyposażenia. Prawie połowa lekarzy w Wielkiej Brytanii przyznawała, że jest zmuszona sama zaopatrywać się w odzież ochronną. W tej sytuacji społeczność zajmująca się drukiem trójwymiarowym włączyła się do produkcji takich urządzeń jak : ochronne maski, zawory tlenowe do wentylatorów, rozdzielacze do wentylatorów i respiratorów pozwalające na ich stosowanie dla kilku pacjentów, pałeczki do wymazów testów na koronawirusa, przyłbice, kabiny do kwarantanny, prowizoryczne respiratory utworzone z wyposażenia do nurkowania z akwalungiem, a nawet dźwignie pozwalające otworzyć drzwi łokciem. Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest wytwarzanie w druku 3D łączników, pozwalających na podłączenie nawet czterech pacjentów do jednego respiratora. Ograniczenia dla urządzeń medycznych do walki z pandemią związane są najczęściej, ale nie jedynie, z brakiem możliwości ich dezynfekcji. Przykładowo, amatorskie drukarki 3D korzystające z ekstrudera wytwarzają przedmioty, które są porowate i mają bardziej szorstką powierzchnię. Nie da się ich w odpowiedni sposób zdezynfekować. Po sukcesie przy przygotowaniu specjalnego modelu 3D żyły zaatakowanej nowotworem, naukowcy z Politechniki Opolskiej planują szerszą współpracę z lekarzami. W planach jest stworzenie m.in. fantomów układu kostnego okolic miednicy i modeli tętnic przed zabiegami. Padła propozycja, żeby opracować formy, na których można by planować operacje wprowadzania stent-graftów do naczyń krwionośnych, w których zlokalizowany jest tętniak. Wprowadzenie stent-graftu do tętnicy lub żyły jest sposobem na jego zoperowanie. W tym przypadku, na podstawie przekrojów uzyskanych z rezonansu magnetycznego lub z tomografu komputerowego tworzy się model trójwymiarowy w którym można umieścić stent-graft, który później można wykorzystać w trakcie zabiegu. Kolejnym założeniem jest stworzenie fantomu układu kostnego okolic miednicy. To będzie model, na którym będą prowadzone badania ukierunkowane na zastosowania radioterapii nowotworów ginekologicznych. Fantom umożliwi badanie efektywności naświetlania radioterapeutycznego. Obecnie fantom jest w trakcie drukowania, praca nad nim wygląda inaczej niż praca nad żyłą. W przypadku żyły model, który opracowaliśmy odzwierciedlał tkanki miękkie, tutaj skupiam się na drukowaniu modelu, który odzwierciedla tkanki kostne. Po wydrukowaniu fantom będzie uzupełniony specjalnym żelem, który będzie reprezentował tkanki miękkie. W wielu przypadkach, gdy na skutek np. choroby nowotworowej fragment kości musi zostać usunięty, wykonuje się przeszczep z innej części ciała i uzupełnia brakujący fragment np. żuchwy czy kości czaszki.