Wykonane pod mikroskopem zdjęcia komórek trzustkowych tworzą niemal kosmiczną harmonię barw i kształtów. Tak wygląda bioniczna trzustka wraz z naczyniami krwionośnymi wydrukowana w technice 3D. Po raz pierwszy na świecie wykonali ją badacze z Fundacji Badań i Rozwoju Nauki pod kierunkiem dr hab. med. Michała Wszoły. Na kwiecień planuje się wszczepienie wydrukowanych płatków trzustkowych myszom.
Naukowcy Fundacji zamierzą wszczepić wydrukowane płatki trzustkowe wraz z wyspami trzustkowymi myszom, żeby sprawdzić ich zachowanie w żywym organizmie. W październiku 2019 r. planowane są eksperymenty na świniach.
„Nikt jeszcze nie wyprodukował narządu miąższowego z pełnym unaczynieniem” – podkreślił w rozmowie z PAP dr hab. Michał Wszoła, chirurg transplantolog. Już wcześniej opracował on nową metodę mało inwazyjnego leczenia powikłanej cukrzycy przy użyciu endoskopowego przeszczepienia wysp trzustkowych pod śluzówkę żołądka. Jego najnowszym przedsięwzięciem jest bioniczna trzustka, w przyszłości również przeznaczona do leczenia cukrzycy.
Wydrukowana w technice 3D trzustka składa się wyłącznie z wysp trzustkowych; nie ma pełnić funkcji zewnątrzwydzielniczej takiej, jak w prawdziwej trzustce. Zakłada się jednak, że w przyszłości może ona przywrócić wytwarzanie insuliny w organizmie chorego na cukrzycę. Obecnie jest to możliwe wyłącznie poprzez wstrzykiwanie tego hormonu odpowiednim podajnikiem lub pompą insulinową.
„Ludzka trzustka produkuje sok trzustkowy pomagający w trawieniu. Wokół niej jest około 1 mln wysepek trzustkowych, czyli takich małych kuleczek, składających się z komórek alfa i beta, które produkują insulinę i glukagon. Osoby z cukrzycą mają zniszczone wyspy trzustkowe, czyli nie mają tych komórek wytwarzających insulinę i glukagon. Produkowany jest tylko sok trzustkowy. Dlatego przewlekle muszą stosować insulinę w zastrzykach. Postanowiliśmy, że wytworzymy narząd, który będzie produkował insulinę i glukagon w oparciu o komórki alfa i beta” – tłumaczy dr hab. Wszoła w rozmowie z PAP.
Polscy badacze pobrali od zwierząt komórki wysp trzustkowych i zmieszali je z biotuszem – substancją o składzie, który umożliwia przeżycie tych komórek. Biodrukarka zaczęła układać je przestrzennie w bioreaktorze zgodnie ze wzorem, opracowanym wcześniej na komputerze. Jednocześnie przy użyciu drugiej strzykawki drukowane były naczynia krwionośne, przez które w narządzie będzie przepływała krew.
„Po wydrukowaniu takiej trzustki nie patrzyliśmy, jak ona wygląda naturalnie; w ogóle nas to nie interesowało. Przekonaliśmy się, że jesteśmy w stanie wydrukować narząd o grubości od 1 cm do 1,5 cm wysokości, i że musi mieć on odpowiednio gęstą sieć naczyniową, żeby wszystkie komórki wysp trzustkowych były dobrze zapatrzone w glukozę i tlen” – opowiada dr hab. Wszoła.
Polscy badacze musieli wytworzyć odpowiedni biotusz – gdyż takiego, który by się nadawał do tego eksperymentu, jeszcze nie było. Kolejną trudnością było to, żeby z płyn w strzykawce, w kartridżu – po wydrukowaniu i zadziałaniu czynników fizykochemicznych zamienił się w stan stały i by mógł układać kolejne warstwy, a także utrzymać strukturę.
„Wcześniej zrobiliśmy badania matematyczne, które pozwoliły ocenić, na ile ten narząd będzie funkcjonalny, kiedy zostanie uruchomiony krwiobieg. Jak będzie się zachowywała krew w tym narządzie – w zależności od różnych wartości jej ciśnienia i hematokrytu; który mówi, ile krwinek czerwonych jest we krwi. Pewne naczynia trzeba było wydłużyć, a inne skrócić” – mówi dr hab. Wszoła.
W kwietniu uzyskane w biodrukarce płatki trzustkowe z wyspami zostaną przetestowane na myszach. Badania te potrwają do czerwca. W październiku 2019 r. większy fragment biotrzustki o rozmiarach kilku centymetrów wraz z naczyniami zostanie przetestowany na świniach. „Musimy sprawdzić, jak ten narząd będzie żył w żywym organizmie, jak powstanie w nim mikrokrążenie i jak zmieni się jego struktura” – dodaje dr hab. Wszoła.
Zdaniem specjalisty nikt tego jeszcze nie zrobił. „W innych eksperymentach zasiedla się odpowiednie biodegradowalne rusztowanie komórkami, a potem wszczepia się człowiekowi. Można to stosować tylko do pewnych typów tkanek, takich jak chrząstka, kości, tchawica lub pęcherz moczowy – ale nie do wątroby, trzustki, nerek czy płuc, bo są to narządy miąższowe, które muszą mieć unaczynienie. Zbudowanie tego unaczynienia było nas dużym wyzwaniem” – podkreśla.
Realizowany przez Fundację Badań i Rozwoju Nauki projekt bionicznej trzustki w technologii 3D dofinansowany jest ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu STRATEGMED III. Konsorcjantami w programie są Instytut Nenckiego, Politechnika Warszawska, Warszawski Uniwersytet Medyczny, Szpital Dzieciątka Jezus i Spółka MediSpace. Założeniem projektu jest stworzenie trzustki „szytej na miarę” z komórek macierzystych pacjenta, co wyeliminuje ryzyko odrzutu.
Badaniami polskiego konsorcjum zainteresowali się pomysłodawcy i założyciele firmy Cellink, światowego prekursora w dziedzinie biodruku 3D. Erik Gatenholm i Hector Martinez w czwartek odwiedzą laboratorium Fundacji i wezmą udział w aukcji charytatywnej w Warszawie, której celem jest pozyskanie kolejnych środków na sfinansowania badań Fundacji.
PAP – Nauka w Polsce, Zbigniew Wojtasiński
English version of the text
Poles printed the world’s first bionic pancreas with vessels
Photos of pancreatic cells taken under the microscope create an almost cosmic harmony of colours and shapes. This is how the bionic pancreas with blood vessels printed in 3D technology looks like. For the first time in the world it was made by researchers from the Foundation for Research and Development of Science under the direction of dr hab. med. Michał Wszoły. In April, it is planned to implant printed pancreatic flakes to mice.
Scientists from the Foundation will implant printed pancreatic flakes and pancreatic islands into mice to check their behaviour in the living organism. Experiments on pigs are planned for October 2019.
„No one has yet produced a full vascular parenchymal organ”. – emphasized in an interview with PAP Dr. Michał Wszoła, a transplant surgeon. He had already developed a new method of minimally invasive treatment of complicated diabetes using endoscopic transplantation of pancreatic islands under the gastric mucosa. His latest undertaking is a bionic pancreas, which in the future will also be used to treat diabetes.
Printed in 3D technique, the pancreas consists exclusively of pancreatic islands; it is not supposed to perform an extrasecretory function such as in a real pancreas. However, it is assumed that in the future it may restore insulin production in the body of a diabetic patient. Currently, this is only possible by injecting this hormone with a suitable feeder or insulin pump.
„The human pancreas produces pancreatic juice to help digestion. There are about 1 million pancreatic islets around it, i.e. small balls of alpha and beta cells that produce insulin and glucagon. People with diabetes have destroyed pancreatic islands, i.e. they do not have these cells producing insulin and glucagon. Only pancreatic juice is produced. Therefore, they have to use insulin in injections for a long time. We decided to produce an organ that will produce insulin and glucagon based on alpha and beta cells,” explains dr hab. Wszoła in an interview with PAP.
Polish researchers took pancreatic island cells from animals and mixed them with biotech – a substance with a composition that enables the survival of these cells. The bioprinter started to arrange them spatially in a bioreactor according to a formula developed earlier on a computer. At the same time, the second syringe was used to print blood vessels through which blood would flow in the organ.
„After printing such a pancreas, we did not look at how it looks natural; we were not interested in it at all. We found that we were able to print an organ between 1 cm and 1.5 cm high, and that it must have a sufficiently dense vascular network so that all the cells of the pancreatic islands were well-focused on glucose and oxygen. – says dr hab. Wszoła.
In April, pancreatic petals with islands obtained in a biodrucer will be tested on mice. These tests will last until June. In October 2019, a larger part of the biotancreas, a few centimetres in size, together with the vessels, will be tested on pigs. „We have to check how this organ will live in the living organism, how microcirculation will form in it and how its structure will change” – adds dr hab. Wszoła.
According to the specialist, nobody has done it yet. „In other experiments appropriate biodegradable scaffolding with cells is inhabited and then it is implanted into the human being. This can only be applied to certain types of tissue, such as cartilage, bones, trachea or bladder – but not to the liver, pancreas, kidneys or lungs, because these are parenchymal organs, which must have vascularisation. Building this vascularization was a big challenge for us. – Emphasises.
The originators and founders of Cellink, the world’s forerunner in 3D printing, became interested in the research of the Polish consortium. Erik Gatenholm and Hector Martinez will visit the Foundation’s laboratory on Thursday and take part in a charity auction in Warsaw, the aim of which is to obtain more funds to finance the Foundation’s research.
PAP – Science in Poland, Zbigniew Wojtasiński
