I et hårdt oplyst laboratorium i Winston-Salem, North Carolina, sidder der en maskine, der på mange måder svarer til en almindelig desktop-printer. Det har blækbeholdere og dyser, en intern blæser til at holde det køligt og et sæt indgangsstik, der kan bruges til at forbinde det til en computer i nærheden. Det er underlagt lejlighedsvis papirstop. Og alligevel er 800 pund stål- og plastikenheden i modsætning til alt, hvad du nogensinde har stødt på, for hvad det udskriver er i live - millioner og millioner af levende menneskelige celler, indeholdt i en tyktflydende gel og vævet gennem sarte biologisk nedbrydelige understøtter i et dirrende simulacrum af menneskeligt væv.
Fra denne historie
In situ vævgenregenerering: Rekruttering af værtsceller og design af biomateriale
KøbeRelateret indhold
- Reddende ansigt: Hvordan en banebrydende kirurg skubber grænserne for ansigtstransplantationer
Det tog et årti for mange forskere og ingeniører at bygge og foredle det integrerede vævs- og orgelprintsystem, eller ITOP. I sidste ende er det dog en enkelt mands hovedbørn: en 59-årig læge, Anthony Atala, med hårstråhår. Han er født i Peru og opvokset uden for Miami. Atala - i dag direktør for Wake Forest Institute for Regenerative Medicine - har brugt det sidste årti med at udskrive levende organer.
”For mig begyndte det hele tilbage i Boston i de tidlige 1990'ere, ” minder den urologiske kirurg og bioteknolog. ”Fordi det var, da jeg virkelig kom ansigt til ansigt med manglen på transplantationsorganer.” På det tidspunkt arbejdede Atala sin første post-medicinske skolegang, som forsker ved Harvard Medical School. Hver uge, under hans runder på Boston Children's Hospital, mødte han en anden ung patient, der havde tilbragt måneder eller endda år på at vente på et erstatningsorgan. Nogle døde, før der kunne findes en udskiftende nyre eller lever. Andre havde alvorlige immunologiske reaktioner på de transplanterede organer. Atala mente, at opløsningen var klar, hvis den blev overhovedet hentet: Lab-dyrkede organer dyrket ud af en patients egne celler og kirurgisk implanteret i kroppen.
”Det lød meget science-fictiony på det tidspunkt, ” huskede Atala, ”men jeg var sikker på, at det var fremtiden.” I 1999, i et vartegn eksperiment, Atala og et team af forskere ved laboratoriet for vævsteknik og cellulær terapeutik på Børnehospital byggede erstatningsblærer til syv børn med en svær form for spina bifida, en svækkende sygdom, der kan påvirke urinvejene og tarmen. For at konstruere organerne har forskerne først håndbygget stilladser eller fundamenter af kollagen og syntetisk polymer. De tog vævsprøver fra patienterne og dyrkede cellerne fra det væv i væske. Derefter belagte de fundamenterne med cellerne fra den relevante patient - muskelceller på ydersiden og blæreceller på indersiden - og lod cellerne "koge" eller vokse på stilladset.
Syv år efter, at den første af de skræddersyede blærer blev implanteret i patienter, meddelte Atala og Alan Retik, en urolog på børnehospitalet, at alle syv patienter var i godt helbred. Det var første gang, laboratoriekultiverede organer blev brugt som erstatning for deres skadelige biologiske kolleger. En avis hyldede resultaterne som "en hellig gral af medicin."
Atala var tilfreds. Men han vidste, at bygning af organer i hånden involverede for meget tid og kræfter til at imødekomme efterspørgslen. Hvad der virkelig var behov for, var en smule Henry Ford-stil automatisering. I 2004 blev Atala enige om at gå i spidsen for et sådant initiativ i Wake Forest, som ikke er langt fra North Carolina's Research Triangle, et bioteknologisk knudepunkt og hjemmebase for en håndfuld 3-D-trykkerier.
Når du kan bestille en ny kropsdel online, har du denne læge at takke.Oprindeligt udviklet til fremstilling, havde 3D-printere i midten af 2000'erne flyttet langt ud over plast. Tænk på et materiale, og chancerne er, at nogen trykte det: nylon, rustfrit stål, chokolade. ”Jeg så en tilpasning mellem institutionen og staten for virkelig at fokusere på bioteknologi, ” siger Atala. ”Jeg vidste, at hvis vi skulle skubbe disse teknologier til patienter, havde vi brug for den infrastruktur og support på plads.”
I årenes løb har Atala og hans stab været i stand til at udvikle printere, der er i stand til at udskrive tilpasset stilladser af menneskelige organer, som manuelt kunne overtrækkes med celler fra mennesker eller dyr. Derefter konstruerede de en printer, der kunne udskrive hudceller direkte på en patient, omend i ekstremt små mængder. Men udskrivning af væv viste sig at være en stor udfordring, delvis fordi det ekspanderende væv også kræver en jævn strøm af blod og næringsstoffer. De kunne udskrive cellerne på et organ, eller de kunne udskrive blodkar og andet understøttende væv, men de kunne ikke klare at udskrive begge på samme tid på en sådan måde, at organet ville overleve.
Derefter kom ITOP med dets væsentlige gennembrudsteknologier. Unikke reservoirer holder mennesker og dyr celler i live i længere tid end tidligere printermodeller; og ekstremt præcise nåle eller jetfly udskriver et gitterværk af "mikrokanaler", der måler 200 mikrometer hver, i biomaterialet. Disse kar lader næringsstoffer strømme gennem vævet. I et papir, der blev offentliggjort tidligere i år i Nature Biotechnology, afslørede Atala og fem Wake Forest-forskere, at brusk, knogler og muskelvæv, der blev trykt på ITOP, var blevet implanteret i gnavere, og at vævet to måneder senere havde udviklet et blodsystem kar og nerver. Tests på humane patienter vil sandsynligvis følge i det næste år eller deromkring, indtil regeringens godkendelse.
Det kræver ikke en engageret futurist at forstå implikationerne. Hvis og når en maskine som ITOP kommer i kommerciel produktion, kan det en dag være muligt at "bestille" et stykke erstatningshud. Efterhånden som maskinerne forbedres, kan de udvikle sig fra at udskrive hud til at udskrive ekstremt komplekse organer, såsom nyrer. Hospitaler overalt i verden ville være udstyret med efterkommerne af ITOP. Organmangel ville være en saga blott.
Det er drømmen, der bragte Atala til bioteknologi, og den fortsætter med at holde ham i gang. Men Atala rådgiver tålmodighed: Tests af bioprintet materiale på mennesker kan tage år. I mellemtiden har han fastholdt sin urologipraksis og ser stadig adskillige patienter om ugen ud over stints i operationsstuen. ”Det er vigtigt for mig, ” siger han, ”fordi det er en påmindelse om, hvem du tjener - hvem du gør dette for. Formålet med denne teknologi er at gøre patienternes liv bedre. Fuldt stop."
Abonner på Smithsonian magasin nu for kun $ 12
Denne artikel er et udvalg fra decemberudgaven af Smithsonian magazine
Købe
