3D bionyomtatás – kis iparág, mérhetetlenül nagy potenciállal

Az egészségipar hatalmas léptekkel fejlődik jelentős részben a technológiai áttöréseknek köszönhetően. Ezek közé tartozik a 3D bionyomtatás, amely többek között mesterséges szövetek és egész szervek előállítását célozta meg. Ez pedig forradalmasíthatja mind a gyógyszerkutatást, mind a gyógyítást.

A 3D bionyomtatást az a felfedezés alapozta meg a 2000-es évek elején, hogy az emberi sejtek mérete nagyjából akkora, mint a tintasugaras nyomtatók által kilövellt festékcseppeké. Azaz egy ilyen nyomtatóból úgy lehet kijuttatni a sejteket, hogy azok nem sérülnek meg. Ez a technika azóta is megmaradt, de felsorakoztak mellé újabbak is. Iparági szakértők szerint azonban minden fejlődés ellenére még legalább további két évtizedre lehetünk attól, hogy printelt szerveket lehessen emberekbe beültetni.

Az iparág forgalma globális szinten egyelőre még nem érte el az évi 2 milliárd dollárt, de becslések szerint évente közel 30 százalékkal növekedik. A terület forrósodását a számok is mutatják. A Bio-Design and Manufacturing című folyóiratban tavaly decemberben jelent meg az a tanulmány, amely a bionyomtatás helyzetét elemezve összeszámolta, hogy az elmúlt húsz év során összesen 9314 tudományos publikáció és 309 nemzetközi szabadalmi bejelentés született a témában. Igen ám, de ezek kétharmada 2016 óta jelent meg.

Forgács Gábor és a bionyomtatás irányai

Ebből alaposan kivette a részét dr. Forgács Gábor magyar elméleti fizikus, aki a Missouri Egyetem professzoraként kezdett foglalkozni a bioprintinggel. Itt indította el 2007-ben az Organovót, a szakterület azóta egyik meghatározóvá vált cégét azzal a céllal, hogy idővel teljes emberi szerveket állítsanak elő bionyomtatással. Forgács 2011-ben társalapítója volt a Modern Meadow cégnek, amely printeléssel előállított biotermékek, például sejtekből nyomtatott bőr előállításával foglalkozik. Majd 2018-ban társalapítója volt a Fork & Goode vállaltnak is, amely sejtekből printelt húst gyárt. Azaz az iparág egyik atyjaként tisztelt professzor tevékenysége önmagában is megmutatta a technológia néhány fejlődési irányát.

A nyomtatott biológiai termékek feleslegesé teszik például, hogy a környezetet terhelve állatokat tartsunk csak azért, hogy ipari alapanyagot szolgáltassanak. Az autók vagy bútorok kárpitozásához, de ruházati cikkekhez is tökéletesen megfelel a printelt bőr. Hasonló a helyzet a „műhússal” is, amely emberi fogyasztásra is megfelelő alternatívája lehet a vágóállatokból szerzett fehérjének. De a szakemberek úgy látják, hogy a bionyomtatás belátható időn belül a legnagyobb a karriert a regeneratív gyógyítás és a gyógyszerkutatás területén futhatja be.

A CTIBiotech bionyomtatással foglalkozó francia cég alapítója és tudományos igazgatója, Colin McGuckin szerint a reprodukálhatóság jelenleg az iparág fő problémája. Ahhoz, hogy a technológia az „additív gyártási zónába” kerüljön a bioprintereknek újra és újra elő kell állítaniuk a megtervezett terméket, csak akkor érhető el, hogy „igazán hasznos legyen a vállalatok számára”. A technológiának túl kell lépnie az egyetemi kutatásokon a hosszú távú cél eléréséhez, hogy hasznát lássák a betegek vagy jobb gyógyszerek készülhessenek a segítségével. E területen idén felgyorsulnak a fúziók és felvásárlások, amelyek célja, hogy a bionyomtatás már inkább a normális lehetőségek közé tartozzon, és többé már ne újdonságként tekintsenek rá – fejtette ki a szakember a 3DPrint.com szakportálon.

A piaci igény már megvan

De miféle bionymotatási igények lehetnek a piacon, amelyek megalapozzák az iparág viszonylag gyors fejlődését? Közismert, hogy a világon mindenütt hosszú sorok várakoznak szervátültetésre súlyos sérülések, betegségek vagy genetikai rendellenességek miatt. Sajnálatosan sok beteg hal meg mielőtt a transzplantáció elérhetővé válna számukra. A bionyomtatással előállított szövetek és szervek jelentősen javíthatnának ezen a helyzeten.

Az emberi szervek nyomtatása nem annyira fantasztikus, mint amilyennek hangzik. Számos biotechnológiai vállalat próbál a páciens saját sejtjeiből új szöveteket létrehozni. A legtöbb esetben a sejteket egy Nobel-díjas eljárással programozzák át, hogy őssejtekké váljanak, amelyek aztán elméletileg bármely emberi szövet részévé képesek fejlődni. A megfelelő tápanyagokkal és támogatással ezek az őssejtek a kívánt sejttípussá alakíthatók. Az őssejtek hidrogélbe szuszpendálásával pedig „állványzatra” kapaszkodó sejttenyészeteket lehet építeni, így a kívánt sejttípus rétegről rétegre élő, működő szövetté nyomtatható. Annak érdekében használják a később felszívódó állványokat, hogy a gravitáció ne döntse össze az épülő szervet. De állvány nélkül is nyomtatnak szerveket, méghozzá az űrben, ahol nem kell tartani a gravitációtól. Ezért nem kizárt, hogy a mesterséges szervek előállítása egyszer a Föld körül keringő „gyárakba” költözik majd.

A BBC Future magazinnak Itedale Redwan, a Cellink (a bionyomtatáshoz elengedhetetlen biotintákat előállító vezető cég) tudományos munkatársa elmondta, hogy már előállítottak olyan szöveteket (például bőrszöveteket), amelyeket sikeresen ültettek vissza állatokba. „A nagy lépés az lesz, hogy az ilyen szöveteket emberbe ültessük” – tette hozzá a szakember. Jegyezzük meg, hogy a nyomtatott szövetek és szervek előállításának számos nehézsége és megoldandó problémája van, beleértve például a működéshez nélkülözhetetlen érrendszer kialakítását.

A bioprinting azonban már megmutatta a hasznát a COVID-19 járvány elleni küzdelemben is. A technológia kiválóan megfelelt szövet- és szervmodellek előállítására, az in vivo környezetek reprodukálására annak érdekében, hogy többet tudjunk meg a fertőzésről és a fertőzés ellen alkalmazható gyógyszerekről. Továbbá a bioprintelt szövetek csökkentették a függést az állatmodellektől. A jövőben pedig a bioprinting igénybevételével az in vitro szövet- vagy vírusbetegség-modellekként használható konstrukciók lehetővé tehetik hatékonyabb, eredményesebb reagálást a járványokra.

Arról van szó, hogy például tüdő-, máj- vagy veseszövetek emberi sejtekből való létrehozásával kockázatok és etikai korlátozások nélkül kísérletezhetnek hatóanyagokkal a gyógyszerkutatók. Ez pedig rendkívüli mértékben felgyorsíthatja a jó hatóanyagok megtalálását.

A 4D bioprinting és a technológia jövője

A 3D bionyomtatás egyik legnagyobb problémája, hogy amikor sejtek és hidrogélek (biotinták) felhasználásával megpróbálnak létrehozni testi szöveteket vagy szerveket, azok a printelés befejezése után megmaradnak statikus formájukban, és hiányzik belőlük az a komplexitás, amit az emberi szervezetben látunk. Ezt a hiányt egy „negyedik dimenzió” pótolja, amikor fejlett elektromos, mágneses, fény- vagy akusztikus technológiákkal „biofabrikálnak” egy szövetet, és az ennek révén dinamikussá válik. Azaz képes a konformáció (a molekuláris térszerkezet) megváltoztatására, az emberi szervekhez hasonlóak a biomechanikai tulajdonságai, és reagál az ingerekre. A negyedik dimenzió olyan szövetek és szervek létrehozásához nyújt megoldást, amelyek teljes mértékben utánozzák a fiziológiai környezetet, beleértve a szövetek és szervek biomechanikáját, és lehetővé teszik a teljes körű alkalmazásukat a regeneratív orvoslásban- mutatott rá a bionyomtatási technológia következő fejlődési lépésére a 3D Printing Media Networkben megjelent cikkében dr. Stephen Cúchulainn Gray orvosbiológiai mérnök, aki a bionyomtatás területén egy sor vállalkozás alapítója.

A cikkben – a jövőre tekintve – provokatív kérdéseket is feltesz. Gray szerint a 4D bioprinting egyik szépsége, hogy hardverre időnként szükség van, de nem mindig. Az intelligens anyagok megfelelő feltételek mellett hardver nélkül is képesek felvenni egy teljes fiziológiai struktúrát. Ezért azt kérdi: a jövőben lehetnek 4D biofabrikált szervek, amelyek mesterséges intelligenciával működnek decentralizált blokklánc-technológiával? Vagy lehet, hogy egy metaverzumhoz kapcsolódnak, és képesek lesznek a betegségek megfigyelésére, diagnosztizálására és kezelésére?

Ezekre a kérdésekre ma még senki sem tudja a választ, de Gray szerint a 4D bionyomtatás és a bioanyagok terén a közelmúltban elért eredmények nemcsak a regeneratív orvoslás iparágát fejleszthetik, hanem új, minimálisan invazív, ember-gép interfész technológiákat hozhatnak létre, amelyek futurisztikus orvosi eszközökként működhetnek. Szerinte a 4D bioprinting vállalatok új megközelítéseik révén versenyelőnyben vannak, és ennek segítségével piaci részesedést szerezhetnek a 3D bionyomtatási cégekben, betörhetnek a szövettechnológiai iparba (amelynek értékre 16,3 milliárd dollár), a regeneratív orvoslásba (115,9 milliárd dollár) és az orvostechnikai eszközök piacára (657 milliárd dollár) is.

Hardverek, szoftverek, tesztek, érdekességek és színes hírek az IT világából ide kattintva!