Drukowanie implantów z żywych komórek w celu zapobiegania chorobie zwyrodnieniowej stawów
Choroba zwyrodnieniowa stawów (OA) dotyka stawów, wpływając zarówno na tkankę łączną, jak i leżącą pod nią kość. Chociaż OA jest zwykle związana ze starzeniem się populacji, może zostać również wywoływana u młodych pacjentów, na przykład w wyniku poważnych urazów sportowych lub innych przyczyn urazów o dużej sile. „Głębokie defekty kostno-chrzęstne (problemy dotyczące zarówno chrząstki stawowej, jak i kości) mogą wywołać OA w młodym wieku” — wyjaśnia koordynator projektu JOINTPROMISE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Ioannis Papantoniou(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z KU Leuven w Belgii. „OA po wywołaniu nie można odwrócić. Może to prowadzić do operacji wymiany stawu kolanowego w stosunkowo młodym wieku, często między 40 a 50 rokiem życia”. Kluczowym wyzwaniem jest to, że obecne syntetyczne implanty mają maksymalną żywotność 15 lat — a gdy się zużyją, należy je wymienić. „W tym czasie kość pacjenta mogła ulec dalszemu zwyrodnieniu, co oznacza, że nie można po prostu zastąpić podobnej kości podobną” — mówi Papantoniou. „Proces jest o wiele bardziej złożony”. OA może zatem prowadzić do wyzwań związanych z mobilnością przez całe życie, co wiąże się ze znacznymi kosztami dla jednostki i całego społeczeństwa.
Synchronizacja regeneracji kości i chrząstki
Celem projektu JOINTPROMISE było sprostanie temu wyzwaniu poprzez opracowanie implantów stawów zdolnych do synchronizacji regeneracji chrząstki i leżącej pod nią kości. Zajęcie się podstawowym urazem zwiększyłoby szanse na powrót do zdrowia młodych pacjentów, zapobiegając OA. Zespół projektu prowadził pionierskie badania nad rozwojem technologii organoidów — zminiaturyzowanych i uproszczonych wersji ludzkich organów wyhodowanych in vitro z komórek macierzystych. „Opracowane przez nas organoidy są w zasadzie wstępnie zaprogramowanymi blokami konstrukcyjnymi wykorzystywanymi do inżynierii tych implantów” — zauważa Papantoniou. „Po wszczepieniu wiedzą, jak napędzać potrzebne procesy regeneracyjne”. Kolejnym kluczowym elementem projektu było biodruk. „Biotusze” — mieszanka żywych komórek i biomateriałów — zostały wykorzystane do wydrukowania trójwymiarowych, funkcjonalnych struktur tkankowych.
Usprawniony, zautomatyzowany proces w bioreaktorze
Kolejnym wyzwaniem dla projektu było to, w jaki sposób można wyprodukować tysiące, a nawet miliony tych organoidów na dużą skalę. „W tym celu zbudowaliśmy mini fabrykę z naszymi partnerami, zainstalowaną obecnie w KU Leuven” — dodaje Papantoniou. „Ten usprawniony, zautomatyzowany proces wykorzystujący bioreaktor i biodrukarkę pobiera pojedyncze komórki, przekształca je w organoidy, a następnie biodrukuje je w większe implanty, umożliwiając jednocześnie digitalizację tych obecnie ręcznych procesów”. Mini-fabryka została przetestowana i zweryfikowana podczas projektu. Wykonalność i skuteczność implantu zbadano na modelach zwierzęcych; kolejnym krokiem będzie przeprowadzenie badań klinicznych na ludziach. „Platforma w KU Leuven była dalej rozwijana i walidowana po zakończeniu projektu” — mówi Papantoniou. „To ważny krok w kierunku produkcji żywych implantów w nadzorowanym, kontrolowanym i zautomatyzowanym środowisku, wymagającej minimalnej interwencji ręcznej podczas produkcji”.
Korzyści z implantów biotechnologicznych
Po wprowadzeniu do zastosowań klinicznych, te oparte na biotechnologii implanty mogą przynieść znaczącą poprawę jakości życia pacjentów poprzez regenerację kości podchrzęstnej i chrząstki stawowej oraz uniknięcie OA. To z kolei zmniejszy obciążenie świadczeniodawców opieki zdrowotnej. Papantoniou uważa również, że innowacja ta ma ogromny potencjał w wielu sytuacjach, nie tylko dla młodych ludzi cierpiących na kontuzje sportowe. Przykładem mogą być strefy konfliktu, w których obywatele są narażeni na obrażenia. Technologia opracowana w celu tworzenia bioimplantów na dużą skalę może również znaleźć inne zastosowania. „Nasze zastosowania dotyczyły stawów, ale zbudowana przez nas zrobotyzowana platforma zawierająca bioreaktor i biodrukarkę może być również wykorzystywana do produkcji organoidów nerek lub serca” — zauważa Papantoniou. „Ma potencjał tworzenia różnych rodzajów implantów tkankowych dla zróżnicowanej grupy pacjentów”.