Tkáňové inženýrství vstoupilo do nové éry. Výzkumný tým z Univerzity v Pittsburghu vyvinul revoluční 3D tiskovou technologii nazvanou CHIPS (Collagen-based, High-resolution, Internally Perfusable Structures). Na rozdíl od tradičních silikonových modelů dokáže tato platforma vytvořit prostředí tak realistické, že se v něm buňky nejen udrží naživu, ale také mezi sebou komunikují a vytvářejí funkční lidskou tkáň. Významný pokrok pro medicínu, výzkum nemocí a především náhradu testování na zvířatech.

3D biotisk už není sci-fi

To, co ještě před pár lety působilo jako námět z vědecko-fantastického filmu, se nyní stává reálnou možností. Lidské buňky totiž samy vědí, jak se správně organizovat a fungovat – pokud jim k tomu vytvoříme vhodné prostředí. A přesně to tým vedený Danielem Shiwarskim z Katedry bioinženýrství na Swanson School of Engineering dokázal.

Klíčovou roli hraje použití kolagenu – přírodního materiálu, který se běžně vyskytuje v lidském těle. Nové 3D tištěné struktury CHIPS poskytují buňkám „domov“, v němž mohou přirozeně růst, spojovat se a vytvářet funkční celky.

Zdroj: Shutterstock

Kolagen místo silikonu: Přírodní materiál, přirozené výsledky

V tradičních mikrofluidních modelech byly buňky vkládány do umělých silikonových struktur. Ty sice umožnily určité pozorování buněčného chování, ale omezeně. Umělé materiály totiž neposkytují buňkám potřebné signály pro jejich vývoj a organizaci.

Shiwarski vysvětluje: „Kolagen je přirozené prostředí, ve kterém se buňky cítí jako doma. Místo toho, abychom je nutili přizpůsobit se neznámému materiálu, vytváříme jim prostředí, které znají.“

Díky tomu mohou být vkládány přímo do tištěných struktur, kde se následně vyvíjejí v reálné lidské tkáně. Takové prostředí umožnilo například vytvoření modelu pankreatické tkáně, která dokázala reagovat na glukózu produkcí inzulínu – přesně jako zdravé lidské buňky.

VAPOR: Bioreaktor jako z Lega

Aby tkáně mohly fungovat a vyvíjet se v čase, musí být pravidelně vyživovány. Proto tým navrhl vlastní bioreaktor VAPOR, který zajišťuje stálý přísun živin a kyslíku. CHIPS se do něj jednoduše „zacvaknou“ – podobně jako kostky Lega – a celý systém začne simulovat tok krve i další tělesné procesy.

„Celé to funguje jako modulární stavebnice,“ doplňuje Andrew Hudson, spoluzakladatel FluidForm Bio. „Je to první plně biologická platforma, která simuluje skutečné fungování lidské tkáně takto komplexně.“

DNA spirála jako inspirace pro cévní sítě

Další zásadní inovací je schopnost vytvářet cévní sítě ve 3D prostoru. Zatímco většina starších modelů byla omezena na ploché vrstvy, zde výzkumníci vytvářeli struktury inspirované dvojitou šroubovicí DNA – tedy prostorové a zakřivené cévy, které odpovídají složité anatomii lidského těla.

To otevírá dveře přesnějším modelům chorob, jako je vysoký krevní tlak, diabetická angiopatie nebo fibróza, kde je právě cévní struktura zásadní.

Konec testování na zvířatech? Možná dřív, než si myslíme

Vědecký tým ze Shiwarskiho laboratoře navíc zveřejnil všechny modely a návrhy zcela volně na svých webových stránkách. Cílem je, aby vědci po celém světě mohli na těchto základech dále stavět a rozvíjet nové metody pro výzkum a léčbu.

„Konečně máme možnost přejít od dvourozměrných zjednodušených modelů k plnohodnotnému 3D prostředí. A bez použití laboratorních zvířat,“ zdůrazňuje Shiwarski. „Chceme pochopit, jak se cévy formují spolu s ostatními tkáněmi, a jak tyto procesy ovlivňují konkrétní lidské varianty nemocí.“