Inuti försöket att skriva ut lungor och blåsa liv i dem med stamceller

Med tillstånd av 3D Systems

Förra månaden hade jag chansen att hålla en kopia av den övre delen av en mänsklig luftväg – luftröret plus de två första bronkerna. Den hade tillverkats av kollagen, det biologiska cement som håller ihop våra kroppar. Det var halt och ihåligt, med konsistensen av underkokt pasta.

Strukturen hade uppstått från en 3D-skrivare i kylskåpsstorlek i Manchester, New Hampshire, vid en utpost av United Therapeutics, ett företag som tjänar mer än en miljard dollar om året på att sälja läkemedel för att behandla lungsjukdomar.

En dag, säger företaget, planerar det att använda en skrivare som denna för att tillverka mänskliga lungor i obegränsade mängder och övervinna den allvarliga bristen på donatororgan.

Bioprinting av vävnad är inte en ny idé. 3-D-skrivare kan göra mänsklig hud, även näthinnor. Ändå har metoden hittills varit begränsad till vävnader som är mycket små eller mycket tunna och saknar blodkärl.

United utvecklar istället en skrivare som man tror kommer att inom några år kunna tillverka en solid, gummiliknande kontur av en lunga i utsökt detalj, inklusive alla 23 nedåtgående grenar av luftvägarna, de gasutbytande alveolerna och en delikat nätverk av kapillärer.

En lunga gjord av kollagen hjälper ingen: det är för en riktig lunga vad en gummikyckling är för en riktig höna. Så United utvecklar också sätt att impregnera matrisen med mänskliga celler så att de fäster och gräver ner sig i den och gör den levande.

Vi försöker bygga de små käpphusen för celler att bo i, säger Derek Morris, projektledare i Uniteds organtillverkningsgrupp.

Orgelentreprenör

3-D-utskriftsprojektet är det senaste i en serie av högtrådiga ingenjörsinsatser som lanserades av Uniteds VD, Martine Rothblatt, en tidigare flygentreprenör (hon var grundande VD för Sirius Satellite Radio) som bytte karriär på 1990-talet efter henne dotter utvecklade en sällsynt lungsjukdom.

När Rothblatt skapade United, delade Rothblatt en övergiven drog som hon plockade upp för $25 000 till ett företag som gjorde henne till högst betalda vd i biofarmaceutisk industri förra året —när hon också satte en hastighetsrekord i en elektrisk helikopter. Rothblatt säger att hon förväntar sig att elektriska drönare en dag ska viska organ från hennes fabrik till var de än behövs.

United har redan gjort några riskfyllda orgelsatsningar. Ett av dess dotterbolag, Revivicor, förser kirurger med hjärtan, njurar och lungor från genetiskt modifierade grisar (dessa har hittills använts i babianer). En annan, Lung Bioengineering, renoverar lungor från mänskliga donatorer genom att pumpa in varm lösning i dem. Cirka 250 personer har redan fått lungor som annars skulle ha betecknats som medicinskt avfall.

Förvänta dig inte färdigtillverkade organ snart. United förutspår i sina företagsprognoser att det inte kommer att hända om 12 år till. Rothblatt erkänner att den tryckta strukturen jag såg bara är en början. Det är bara två grenar och inga celler, säger hon.

Trots det kan Uniteds ansträngning att trycka hela organ, som startade förra året, vara branschens största. Det anlitade ett South Carolina-företag, 3D Systems, för att bygga skrivaren och betalar ett annat företag, 3Scan, för att skära upp lungorna och skapa detaljerade kartor över deras interiör. Det har platsannonser för roller som Mathematician—Human Organ Design.

Uniteds organtillverkningsgrupp är belägen i samma komplex av tidigare textilfabriker som BioFabUSA, ett initiativ för vävnadsutskrift på 80 miljoner dollar från försvarsdepartementet. Dean Kamen, den välkände uppfinnaren som leder BioFabUSA, säger att möten med Rothblatt var det som fick honom att ansöka till regeringen om att vara värd för institutet. Jag såg mirakel hon leker med och frustrationen över utrustningen hon använder för att göra det, säger han. För Kamen hindras biologer av vad han kallar 1800-talsteknik med kolvar och bägare.

3d-utskrivning

Den kollagenskrivare som 3D Systems använder nu fungerar enligt en metod som kallas stereolitografi. En UV-laser flimrar genom en grund pöl av kollagen dopad med ljuskänsliga molekyler. Varhelst lasern dröjer sig kvar, härdar kollagenet och blir fast. Gradvis sänks objektet som skrivs ut och nya lager läggs till.

Uniteds vd, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

Skrivaren kan för närvarande lägga ner kollagen med en upplösning på cirka 20 mikrometer, enligt United. Att skriva ut de anatomiska detaljerna i en lunga kräver dock funktioner som är mindre än en mikrometer i storlek.

När du ser lungans komplexitet, vad naturen gör från befruktning till födsel, finns det inget sätt att bearbeta det eller forma det. 3D-utskrift är det enda sättet vi har att skapa den geometrin, säger Pedro Mendoza, chef för bioprinting på 3DSystems.

Mendoza säger att 3D Systems planerar att importera tekniker från halvledarindustrin – som masker, speglar och mer kraftfulla lasrar – för att förbättra skrivarens upplösning. Hastigheten är också ett problem. Strukturen jag såg tog 12 timmar att skriva ut. En komplett, detaljerad lungställning skulle ta ett år att bygga med samma skrivare.

Bioprinting

Vissa biotryckta vävnader är nära att hitta medicinska användningsområden. Ett team i Spanien har tryckt hud som de tror kan användas på brännskador. Ändå är alla vävnader som tillverkas idag papperstunna. Det måste de vara, för de saknar blodkärl. Alla större och en vävnad skulle dö inifrån och ut.

Medan vissa forskare har skrivit ut prototyper av levande blodkärl, är dessa ansträngningar fortfarande begynnande. Hittills har ingen gjort anspråk på ett pris på $300 000 som erbjuds av NASA till den första forskaren som kan skriva ut levande vävnad en centimeter tjock. Ett par mänskliga lungor är mycket mer omfattande och väger cirka tre pund.

Vissa företag säger att det fortfarande är för tidigt att prata om att skriva ut hela organ. Vi tror alla att det kommer att vara möjligt någon gång i framtiden. Där vi skiljer oss åt är hur lång tid det kommer att ta, säger Sharon Presnell, chefsforskare på Organovo, ett företag i Kalifornien som har skrivit ut tunna, elastiska leverark. Kan man få något i den storleken med en kärl och klarar det fysiologiskt tryck? De flesta av oss försöker gå innan vi springer.

Lägger till celler

Dock inte United. Det säger att problemet med andra insatser är att de använder extruderingsmetoder, pressar celler och proteiner genom fina nålar. Luis Alvarez, bioingenjören som leder Uniteds organtillverkningsgrupp, liknar tryckceller vid att trycka vattenballonger genom ett sugrör. Han säger, Din utskriftsupplösning begränsas av cellens storlek.

Istället är Uniteds plan att först skriva ut en lungställning och sedan infundera den med mänskliga celler, en process som kallas återcellularisering.

Det finns tidiga bevis för att en kollagenmatris kan omvandlas till en fungerande lunga. I år, i ett experiment delvis finansierat av United, rapporterade Harvard Universitys experimentkirurg Harald Ott att han hade pumpat miljarder mänskliga celler (från navelsträngar och tärnade lungor) in i en grislunga utan sina egna celler. När Otts team återkopplade det till en gris cirkulation, visade det resulterande organet rudimentär funktion, även om experimentet bara varade i en timme.

Du får blod genom systemet, och du får gasutbyte, säger Finn Hawkins, en stamcellsbiolog vid Boston University, som inte är involverad i Uniteds projekt. Det är anmärkningsvärt. Men det är långt till transplanterbara organ.

Hawkins säger att Otts organ saknade viktiga celltyper, som de vågiga flimmerhåren som tar bort slem. Dessutom är det fortfarande oklart hur man skaffar mänskliga celler i de kvantiteter som behövs för att försörja en framtida organfabrik. Det finns inte tillräckligt med mänskliga lungor från avlidna donatorer för att möta efterfrågan.

United säger att de planerar att använda stamceller för att tillverka den nödvändiga vävnaden i sina labb, men det är ingen lätt uppgift heller.

Jag tror att bioprintningen kan vara den minst problematiska delen av det, säger Hawkins. Så fort du nämner något som är större än en mus, skulle jag säga att det är svårt att göra den mängden celler.

Nya organ

Om orglar kunde tillverkas i stort antal skulle det inte bara lösa orgelbristen. Det kan så småningom omforma människans livslängd. Vad sägs om att få ett nytt hjärta eller lungor vid 80?

För att nå dit måste United göra inte en utan flera tekniska moonshots. Ändå säger Alvarez att United förutser att dess olika teknikprojekt - den 3-D-tryckta ställningen, återcellulariseringstekniken och dess ansträngningar att tillverka lungvävnad från stamceller - alla kommer att skära varandra någon gång i framtiden.

När vi börjar skriva ut den finaste delen av lungan, säger han, kommer vi att veta hur vi ska återcellularisera den.

Dölj