Η 3D βιοεκτύπωση με ζωντανά κύτταρα πνεύμονα ανοίγει νέους δρόμους στην επιστήμη

Η 3D βιοεκτύπωση εξελίσσεται με εντυπωσιακούς ρυθμούς, αλλά η νέα έρευνα από το Texas A&M University αποδεικνύει ότι μπορεί να προσφέρει ακόμη περισσότερα από την αναπαραγωγή ιστών. Μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση του πώς το ανθρώπινο σώμα ανταποκρίνεται σε ακραίες συνθήκες—όπως αυτές που αντιμετωπίζουν πιλότοι και αστροναύτες.

Η ομάδα των ερευνητών, υπό τον καθηγητή Ζhijian “ZJ” Pei και τη βιολόγο Hongmin Qin, κατάφερε να δημιουργήσει 3D-εκτυπωμένα μοντέλα ζωντανών κυττάρων πνεύμονα, τα οποία μπορούν να εκτεθούν σε θερμότητα, πίεση και μεταβολές οξυγόνου, μιμούμενα περιβάλλοντα που δεν είναι δυνατόν να αναπαραχθούν με παραδοσιακές 2D καλλιέργειες.

Γιατί χρειάζεται ένα νέο μοντέλο πνεύμονα;

Όταν ένας πιλότος ανεβαίνει σε μεγάλα υψόμετρα ή ένας αστροναύτης βρίσκεται σε χαμηλή τροχιά, το σώμα του υπόκειται σε συνθήκες για τις οποίες δεν είναι φτιαγμένο.
Απότομες αλλαγές πίεσης, έλλειψη οξυγόνου, υψηλές θερμοκρασίες και μηχανική καταπόνηση μπορούν να προκαλέσουν:

• συσσώρευση υγρών στους πνεύμονες,

• βλάβες στους ιστούς,

• προβλήματα στην αναπνοή,

• αυξημένο κίνδυνο θερμικού σοκ και βλάβης οργάνων.

Οι συνηθισμένες κυτταροκαλλιέργειες δεν μπορούν να αναπαράγουν αυτές τις συνθήκες με ακρίβεια. Εκεί έρχεται η 3D βιοεκτύπωση.

Η τεχνολογία πίσω από την ανακάλυψη

Το εργαστήριο φόρτωσε ένα bioink—ένα ζελατινώδες υλικό που περιλαμβάνει ζωντανά κύτταρα πνεύμονα—σε ειδικά δοχεία και το χρησιμοποίησε για να «τυπώσει» στρώμα-στρώμα μικροσκοπικά τρισδιάστατα μοντέλα.

Αυτό το 3D περιβάλλον δίνει στα κύτταρα:

• δομή πιο κοντά στη φυσική τους κατάσταση,

• σωστές μηχανικές δυνάμεις,

• ένα μικροπεριβάλλον παρόμοιο με πραγματικό ιστό.

Σύμφωνα με την καθηγήτρια Qin, αυτό επιτρέπει «πιο ακριβείς μελέτες βιωσιμότητας, πολλαπλασιασμού και αντίδρασης στο στρες».

Πώς συμπεριφέρονται τα κύτταρα υπό ακραίες συνθήκες;

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν σειρά πειραμάτων:

1. Πίεση εκτύπωσης: όσο πιο υψηλή, τόσο μεγαλύτερη η βλάβη

Σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Biomimetics, βρέθηκε ότι υψηλότερη πίεση κατά την εκτύπωση προκαλεί αυξημένο κυτταρικό θάνατο. Αυτό έχει τεράστια σημασία για το μέλλον της βιοεκτύπωσης: ακόμη και μικρές αλλαγές στη διαδικασία μπορούν να επηρεάσουν έντονα την κυτταρική επιβίωση.

2. Θερμότητα: αύξηση θερμοκρασίας → αύξηση στρες

Σε δεύτερη μελέτη στο Bioengineering, τα δείγματα εκτέθηκαν σε θερμοκρασίες έως 55°C. Οι ερευνητές παρατήρησαν:

• αύξηση οξειδωτικού στρες,

• μείωση κυτταρικής επιβίωσης,

• βλάβη δομής του ιστού.

Οι εικόνες φθορισμού έδειξαν ξεκάθαρα ότι τα κύτταρα «υποφέρουν» όσο η θερμοκρασία ανεβαίνει.

3. Το ιδανικό bioink με υψηλή βιωσιμότητα

Η ομάδα ανέπτυξε επίσης ένα νέο μίγμα κολλαγόνου-αλγινικού (4:1) που διατήρησε εντυπωσιακό 85% ποσοστό επιβίωσης για 6 ημέρες. Αυτό θεωρείται εξαιρετικά υψηλό για βιοεκτυπωμένα δείγματα.

Τι σημαίνει αυτή η έρευνα για την αεροπορία και το διάστημα;

Οι εφαρμογές της ανακάλυψης είναι πολλές:

Βελτίωση πρωτοκόλλων ασφάλειας για πιλότους

Μελετώντας πώς τα κύτταρα διαχειρίζονται πίεση και θερμότητα, οι επιστήμονες μπορούν να βοηθήσουν στη βελτίωση συστημάτων πίεσης καμπίνας, στολών και διαδικασιών έκτακτης ανάγκης.

Ασπίδες για αστροναύτες

Οι πνεύμονες είναι από τα όργανα που επηρεάζονται έντονα στο διάστημα. Τα νέα μοντέλα μπορούν να υποστηρίξουν:

• ανάπτυξη καλύτερων διαστημικών στολών,

• προσομοιώσεις χαμηλής βαρύτητας,

• έρευνες σε πνευμονική φυσιολογία σε μικροβαρύτητα.

Πέρα από την αεροπορία: τι σημαίνει για την υγεία όλων μας

Η 3D βιοεκτύπωση με ζωντανά κύτταρα πνεύμονα ανοίγει δρόμους και για την κλινική ιατρική:

Μελέτη αναπνευστικών νοσημάτων

Η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για έρευνα γύρω από:

• ΧΑΠ,

• ίνωση,

• άσθμα,

• ιογενείς και μικροβιακές λοιμώξεις.

Ανάπτυξη νέων φαρμάκων

Με μοντέλα που μιμούνται πραγματικό ανθρώπινο ιστό, οι δοκιμές φαρμάκων γίνονται πιο αξιόπιστες και ακριβείς, επιταχύνοντας την ανακάλυψη νέων θεραπειών.

Μελλοντικά βιοεκτυπωμένοι ιστοί on-demand

Ο απώτερος στόχος είναι ξεκάθαρος: κάποια μέρα, η τεχνολογία αυτή να μπορεί να δημιουργεί ιστούς κατά παραγγελία, ίσως και ολόκληρα τμήματα πνεύμονα.

Η ερευνητική ομάδα του Texas A&M δεν δημιούργησε απλώς μια νέα τεχνική εκτύπωσης — δημιούργησε ένα παράθυρο στο πώς το ανθρώπινο σώμα αντιμετωπίζει τις πιο δύσκολες και επικίνδυνες συνθήκες. Στρώμα-στρώμα, κύτταρο-κύτταρο, η 3D βιοεκτύπωση δεν αποτελεί μόνο μια τεχνολογική επανάσταση, αλλά και ένα εργαλείο που μπορεί να αναβαθμίσει την ασφάλεια πτήσεων, το διαστημικό ταξίδι και τη θεραπεία αναπνευστικών παθήσεων. Από την αεροπορία μέχρι τη φαρμακευτική έρευνα, το μέλλον της υγείας ίσως «εκτυπώνεται» με ζωντανά κύτταρα—και χτίζεται, κυριολεκτικά, στρώμα προς στρώμα.