Teknik

3D-bioskrivning: svaret på den globala organbristen?

Avan Dosky

Efterfrågan på organ överstiger det rådande utbudet över hela världen. Det är angeläget att finna nya lösningar då bristen skördar livet på otaliga människor i väntan på lämpliga organ. Tänk om man kunde printa ut splitternya organ i stället för att förlita sig på donationer? 3D-bioskrivning, en teknik som uppfanns år 2003, utvecklas idag i svindlande hastighet. I dagsläget utnyttjas tekniken inom diverse medicinska forskningsområden, däribland cancerforskning, där 3D-modeller av tumörer ger en djupare förståelse kring den cellulära mikromiljön. Men det mest lovande med 3D-bioskrivning är att den kan bana väg för syntetiska organ anpassade till enskilda patienters behov. Denna teknik faller inom ramen för regenerativ medicin och ger goda framtidsutsikter för den globala hälsan.

Traditionella skrivare printar i två dimensioner, medan det hos 3D-skrivare tillagts ytterligare en dimension. Det ger måtten x (längd), y (bredd) och z (djup). Skrivarpatronen hos 3D-bioskrivaren fylls med biokompatibelt filament och munstycket rör sig i de tre dimensionerna. På så sätt kan man med hjälp av 3D-skrivare “skriva ut” tredimensionella objekt. Det finns olika metoder som används vid 3D-bioskrivning, men den gemensamma nämnaren är att alla utgår från additiv tillverkning. Additiv tillverkning baseras på ansättning av lager ovanpå varandra vilket bildar komplexa skiktade konfigurationer. Första steget i processen går ut på att designa den önskvärda modellen med hjälp av ett CAD-program. Vid 3D-bioskrivning av organ används patientens egna MRI- och CT-skanningar i form av uppstaplade 2D-skivor. På så vis genererar man patientspecifik data kring organets geometri. Filen matas in i ett datorprogram som analyserar modellen och instruerar 3D-bioskrivaren om hur filamentet ska beläggas för att uppnå den tänkta modellen.

3D-bioskrivare som bioprintar en konstruktion i en petriskål.

Skillnaden mellan konventionell 3D-skrivning och dess biologiska motsvarighet, 3D-bioskrivning, är materialet som används för konstruktionen. I den medicinska applikationen används biobläck som utgörs av levande celler, och ibland kombineras cellerna med annat biokompatibelt material. Beroende på vilket organ som man ämnar återskapa använder man antingen en eller flera celltyper. Cellerna kan antingen härröra från stamceller som differentieras till de organspecifika cellerna eller skördas från patientens egna celler. För att skörda cellerna tar man en biopsi (vävnadsprovtagning) av organ tillhörande patienten och låter cellerna odlas i en kultur. Ett av problemen med organdonationer är att man måste säkerställa att det donerade organet är kompatibelt med mottagaren. Genom att skapa ett patientspecifikt biobläck kan man kringgå risken för en avstötningsreaktion efter transplantationen.

För mindre komplexa organ skriver man ut en byggnadsställning, gjord av biologiskt nedbrytbar polymerer eller kollagen, i vilken cellerna inkorporeras. Byggnadsställningen förser cellerna med temporärt mekaniskt stöd. Cellerna får då tid att växa och organisera sig själva tills att de så småningom antar formen av organet. För mer komplexa organ kombineras celler med hydrogel och skrivaren konstruerar organet direkt, utan en byggnadsställning. Hydrogel håller cellerna vid liv då dess komposition efterliknar naturlig extracellulär matrix. Genom att förse cellerna med syre och näring möjliggör hydrogel celltillväxt, proliferation och differentiering. Efter 3D-bioskrivning av organet placeras det i en inkubator för att mogna till ett fullt funktionerande organ. 

Det finns en rad hinder man måste komma till rätta med för att transplantation med nysyntetiserade organ ska kunna tillämpas i praktiken. Att replikera den nödvändiga biokemiska miljön är långt ifrån enkelt. En av utmaningarna berör integrering av blodkapillärer i organ. Det krävs ytterligare framsteg för att kunna framställa biobläck med tillräckligt hög upplösning för att skapa tunna så strukturer som kapillärer. Utöver det måste man replikera komplexa funktioner såsom hjärtats synkronicitet.

3D-bioskrivning lär i framtiden omvälva det medicinska fältet och öppna dörrar för effektivare organtransplantationer – något som kan att rädda livet på miljontals människor världen över.

Källor som användes i den här artikeln

Agarwal, Swarnima; Barui, Ananya; Bodhak, Subhadip; Krishna Balla, Vamsi; Pal, Aniruddha; Saha, Shreya, Current Developments in 3D Bioprinting for Tissue and Organ Regeneration–A Review, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2020.589171/full

Alexander, Donovan, The Science Fiction World of 3D Printed Organs, Interesting Engineering, https://interestingengineering.com/the-science-fiction-world-of-3d-printed-organs