Γιατί οι αστροναύτες εκτυπώνουν όργανα στο διάστημα

Η παγκόσμια έλλειψη οργάνων κατάλληλων για μεταμόσχευση έχει ωθήσει ορισμένους ερευνητές να αναζητήσουν εναλλακτικές λύσεις. Μια απο αυτές, είναι και η τρισδιάστατη εκτύπωση ζώντων ιστών.

Ο γιατρός του αμερικανικού στρατού, Άντριου Μόργκαν, έχοντας δει από κοντά τις επιπτώσεις των εκρήξεων, θέλησε να διερευνήσει την πιθανότητα εκτύπωσης ιστών ή ακόμη και ολόκληρων οργάνων που θα μπορούν μελλοντικά να αντικαταστήσουν τραυματισμένα μέρη του σώματος.

«Η ικανότητα μεταμόσχευσης ιστών που κατασκευάζονται από τα κύτταρα του ίδιου του τραυματία θα ήταν εξαιρετικά ευεργετική», λέει.

Ο Μόργκαν, ο οποίος εκτός από γιατρός είναι και αστροναύτης της NASA, πραγματοποίησε μια σειρά ασυνήθιστων πειραμάτων στο διάστημα για αρκετούς μήνες. Τον Απρίλιο του 2020 επέστρεψε από μια διαμονή 272 ημερών στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ΔΔΣ). Εκεί, στα 400 χλμ. πάνω από την επιφάνεια της Γης, δημιούργησε ζωντανό ιστό χρησιμοποιώντας έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή και βιο-μελάνι.

«Δεν διαφέρει από το να αλλάζεις μια κασέτα μελανιού στον εκτυπωτή», λέει σε συνέντευξή του στο BBC. «Βάζετε την κασέτα, αφήνετε την καλλιέργεια να αναπτυχθεί και στη συνέχεια αφαιρείτε τον ιστό για ανάλυση».

Υπάρχει ωστόσο και ένας άλλος λόγος για τον οποίο ο Μόργκαν και η συνάδελφός του Κριστίνα Κοτς, επίσης αστροναύτης έκαναν αυτά τα πειράματα ενώ ήταν σε τροχιά.

(NASA)

«Όταν εκτυπώνεις τρισδιάστατα μια καλλιέργεια ιστού στη Γη, υπάρχει περίπτωση να καταρρεύσει εξαιτίας της βαρύτητας», λέει. «Οι ιστοί απαιτούν κάποιο είδος προσωρινού, οργανικού ικριώματος για να τα συγκρατήσουν όλα στη θέση τους, ειδικά όταν υπάρχουν κοιλότητες όπως οι θάλαμοι μιας καρδιάς. Αλλά δεν έχετε αυτά τα αποτελέσματα σε ένα περιβάλλον μικροβαρύτητας, γι’ αυτό και αυτά τα πειράματα ήταν τόσο πολύτιμα», προσθέτει.

Το περιβάλλον μικρο-βαρύτητας του ΔΔΣ ήταν ιδανικό για τη δοκιμή του εργαστηρίου Bio Fabrication Facility, το οποίο μπήκε σε τροχιά το 2019. Αναπτύχθηκε από τις αμερικανικές εταιρείες Techshot και NScrypt και έχει σχεδιαστεί για την εκτύπωση ανθρώπινων κυττάρων σε ιστούς με σχήμα οργάνων.

Η ομάδα πίσω από την τεχνολογία, ελπίζει να βελτιώσει τον εξοπλισμό ώστε να μπορεί να εκτυπώσει ολόκληρα ανθρώπινα όργανα στο διάστημα, τα οποία θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεταμοσχεύσεις.

Η εκτύπωση ανθρώπινων οργάνων δεν είναι κάτι απίθανο. Ορισμένες εταιρείες βιοτεχνολογίας υιοθετούν διαφορετικές προσεγγίσεις, οι οποίες στοχεύουν στη χρήση των κυττάρων ενός ασθενούς για τη δημιουργία νέου ιστού. Στις περισσότερες περιπτώσεις επαναπρογραμματίζουν τα κύτταρα, ακολουθώντας μια διαδικασία– η οποία βραβεύτηκε με το βραβείο Νόμπελ και αναπτύχθηκε πριν από μια δεκαετία- για να τα μετατρέψουν σε βλαστικά κύτταρα, τα οποία θεωρητικά είναι ικανά να αναπτυχθούν σε οποιοδήποτε μέρος της ανθρώπινης ανατομίας.

(NASA)

Με την αναστολή των βλαστικών κυττάρων σε μια υδρογέλη που μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα ικρίωμα για να σταματήσει η αναπτυσσόμενη δομή να καταρρέει από μόνη της, ο επιθυμητός τύπος κυττάρων μπορεί στη συνέχεια να εκτυπωθεί σε ζωντανό, λειτουργικό ιστό.

«Έχουμε ήδη παράγει ιστό που έχει μεταμοσχευτεί επιτυχώς σε ζώα», λέει ο Ίτεντέιλ Ρέντγουαν, επιστημονικός υπεύθυνος της Cellink, της πρώτης εταιρείας που εμπορεύεται βιολογικό μελάνι.

«Πρόσφατα χρησιμοποιήσαμε λέιζερ για να εκτυπώσουμε τριχοειδή αγγεία, ή αγγεία που μεταφέρουν αίμα. Η δυνατότητα εκτύπωσης σε αυτό το επίπεδο θα είναι απαραίτητη, αλλά το μεγάλο βήμα θα είναι η εμφύτευση τέτοιων ιστών σε ανθρώπους».

(NASA)

Οι επιστήμονες έχουν ήδη αποδείξει ότι η εκτύπωση βασικών ιστών και μίνι-οργάνων είναι εφικτή. Το 2018, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Νιούκαστλ εκτύπωσε τους πρώτους ανθρώπινους κερατοειδείς, ενώ μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ παρήγαγε μια μικρογραφία καρδιάς ολόκληρη μαζί με τα κύτταρά της και τα αιμοφόρα αγγεία της, χρησιμοποιώντας ύλη και κύτταρα προερχόμενα από τον ασθενή.

Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν έκαναν ένα βήμα παραπέρα, καθώς εκτύπωσαν μια μίνι ανθρώπινη καρδιά χρησιμοποιώντας βλαστικά κύτταρα που μιμούνται το περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσεται ένα έμβρυο.

Ωστόσο, η καρδιά είναι μια σχετικά απλή αντλία που αποτελείται από μια σειρά θαλάμων που περιβάλλονται από μυϊκό ιστό. Ορισμένοι ερευνητές έχουν ήδη προχωρήσει στην οικοδόμηση πιο πολύπλοκων δομών οργάνων και ιστών. Μια ομάδα στο Ινστιτούτο Wake Forest για την Αναγεννητική Ιατρική στη Βόρεια Καρολίνα, ενσωμάτωσε νευρικά κύτταρα σε εκτυπωμένους μύες. Η ενσωμάτωση νευρικών κυττάρων σε τρισδιάστατες βιοτυπωμένες κατασκευές σκελετικών μυών, επιταχύνει την αποκατάσταση της μυϊκής λειτουργίας, λένε οι επιστήμονες.

Η ανάπτυξη σύνθετων οργάνων όπως το ήπαρ και τα νεφρά αποτελεί μεγάλη πρόκληση για τους επιστήμονες, καθώς πρόκειται για όργανα τα οποία είναι μείγματα πολλών τύπων κυττάρων, διαποτισμένα με δίκτυα αιμοφόρων αγγείων και νεύρων.

Η Τζένιφερ Λιούις, καθηγήτρια στο Ινστιτούτο Wyss για Βιολογικά Εμπνευσμένη Μηχανική στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχει πειραματιστεί με την εκτύπωση ιστών. Η αναδημιουργία της πλήρους λειτουργίας ενός οργάνου, ωστόσο, δεν είναι εύκολο εγχείρημα.

Ένα σημαντικό βήμα θα ήταν η αναπαραγωγή της διαδικασίας της οργανογένεσης- του σχηματισμού δηλαδή των οργάνων του σώματος στο έμβρυο- για την ανάπτυξη διαφορετικών λειτουργιών, λέει η Λίουις.

«Ανακαλύπτουμε, για παράδειγμα, ότι συχνά η λειτουργία του ιστού δεν είναι τόσο ώριμη όταν δημιουργείται στο εργαστήριο», λέει η Λιούις.

Η εταιρεία, η BioLife4D, η οποία αναπτύσσει και κατασκευάζει τεχνολογία βιοεκτύπωσης, επικεντρώνεται στην εκτύπωση βιολογικών συστατικών για χρήση στην επισκευή της ανθρώπινης καρδιάς ως εφαλτήριο για την κατασκευή μιας ολόκληρης εκτυπωμένης μεταμοσχεύσιμης καρδιάς. Πιστεύει ότι υπάρχει μια αγορά πολλών εκατομμυρίων δολαρίων για τα διάφορα εξαρτήματα, όπως οι καρδιακές βαλβίδες, που θα πρέπει να μάθει να εκτυπώνει στην πορεία.

Ο Ρέντγουαν τονίζει ότι, βραχυπρόθεσμα, τα εκτυπωμένα όργανα θα επιτρέψουν την αποτελεσματικότερη μοντελοποίηση ασθενειών στο εργαστήριο και θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη φαρμάκων. Αυτό, με τη σειρά του, θα βοηθήσει στη μείωση των πειραμάτων σε ζώα.

Μετά από μια μεταμόσχευση, ο ασθενής θα πρέπει να λάβει ισχυρή ανοσοκατασταλτική αγωγή ώστε το σώμα του να μην απορρίψει το μόσχευμα. Αν όμως ένα νέο όργανο μπορεί να εκτυπωθεί χρησιμοποιώντας τα δικά του κύτταρα, θα μειώσει σημαντικά τον κίνδυνο απόρριψης.

Ωστόσο η εκτύπωση στο διάστημα δεν είναι φθηνή. Το Bio Fabrication Facility στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό κοστίζει 7 εκατομμύρια δολάρια (5,70 εκατομμύρια ευρώ) συν το κόστος της μεταφοράς των κυττάρων και άλλων πρώτων υλών στο διάστημα.

Ορισμένοι επιστήμονες μελετούν την πιθανότητα αναπαραγωγής του περιβάλλοντος χαμηλής βαρύτητας που βρίσκεται σε τροχιά, στη Γη. Η ρωσική ιατρική εταιρεία 3D Bioprinting Solutions, για παράδειγμα, δημιούργησε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε ο ιστός να αιωρείται καθώς σχηματίζει την επιθυμητή δομή.

(NASA)

Για άλλους η ανάπτυξη αυτής της επαναστατικής τεχνολογίας μεταμόσχευσης, αποτελεί προσωπικό στοίχημα.

«Η κόρη μου γεννήθηκε με έναν μόνο πνεύμονα», λέει ο Κεν Τσέρτς, διευθύνων σύμβουλος της NScrypt, της εταιρείας που βοήθησε στην ανάπτυξη του βιο-εκτυπωτή που χρησιμοποίησε ο Μόργκαν. «Είναι 27 ετών και είναι καλά τώρα, αλλά έχει μόνο έναν πνεύμονα. Αυτό με έκανε να εξετάσω το θέμα της μηχανικής των ιστών».

Η NScrypt αναπτύσσει τώρα τον βιοεκτυπωτή επόμενης γενιάς, έναν βιοαντιδραστήρα, ο οποίος χρησιμοποιεί άλλες προσεγγίσεις, όπως περιστροφή, ανακίνηση ή έγχυση οξυγόνου κατά την ανάπτυξή του ιστού.

Ωστόσο, η προοπτική της δυνατότητας εκτύπωσης ανθρώπινων οργάνων αναμένεται να έχει μεγάλο αντίκτυπο στην κοινωνία, όσον αφορά τη μακροζωία. Εάν η καρδιαγγειακή νόσος είναι η κύρια αιτία θανάτου σήμερα, η αντικατάσταση της καρδιάς με μια νεότερη και υγιέστερη, θα μπορούσε ενδεχομένως να προσθέσει μερικές δεκαετίες στη διάρκεια ζωής ενός ανθρώπου.

Το υψηλό κόστος της εκτύπωσης οργάνων -ιδιαίτερα αυτών που θα αναπτυχθούν σε τροχιά- μπορεί να προσελκύσει ανθρώπους που θα είναι πρόθυμοι να πληρώσουν αστρονομικά ποσά για να τα αποκτήσουν.

«Αυτό το θέμα θα διχάσει τον κόσμο», λέει ο Ράβι Μπίρλα, μηχανικός ιστών της BioLife4D. «Αν αλλάξετε τα ζωτικά όργανα ενός ατόμου, αυτό που προκύπτει, είναι ένας διαφορετικός άνθρωπος».

Αν και σήμερα το ζητούμενο είναι η ανάπτυξη οργάνων για μεταμοσχεύσεις, μελλοντικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και στην αισθητική χειρουργική. Το θέμα είναι πώς θα τεθούν τα όρια μεταξύ των δύο, λέει ο Μπίρλα. «Θα μπορούσε να είναι κάτι ανάλογο με τη χρήση των φαρμάκων που βελτιώνουν την απόδοση στον αθλητισμό. Παρόλο που πολλοί είναι εναντίον της χρήσης τους, άλλοι εξακολουθούν να τα χρησιμοποιούν».

Η εκτύπωση ζωτικών οργάνων θα αποδειχθεί κρίσιμη με τις επερχόμενες επανδρωμένες αποστολές στη Σελήνη και στη συνέχεια στον Άρη, καθώς η βιοεκτύπωση θα μπορούσε να αποτελέσει ένα απαραίτητο εργαλείο για τη διατήρηση της ζωής εκεί.

Η Techshot, η οποία χρηματοδότησε εν μέρει την εγκατάσταση του βιοεκτυπωτή στο διαστημικό σταθμό, επέβλεψε ορισμένα από τα απομακρυσμένα πειράματα λειτουργίας με τη βοήθεια του Μόργκαν. Η εταιρεία υπέγραψε συμφωνία με την Axiom Space- η οποία σχεδιάζει έναν εμπορικό διαστημικό σταθμό- για την εγκατάσταση του πρώτου εμπορικού βιο-εκτυπωτή στο ΔΔΣ.

«Τελικά, η βιοεκτύπωση θα είναι σημαντική και για την εξερεύνηση του διαστήματος και συγκεκριμένα για την εκτύπωση ζωικών κυττάρων ή ιστών. Στο μεταξύ όμως, αυτά τα πειράματα στο διεθνή διαστημικό σταθμό θα ξεκλειδώσουν μερικά από τα μυστικά της βιοεκτύπωσης ώστε να μπορέσει να λειτουργήσει πρώτα εδώ στη Γη. Αυτό θα είναι το πραγματικό άλμα».

ΠΗΓΗ: BBC