In een slecht verlicht laboratorium in Winston-Salem, North Carolina, staat een machine die in veel opzichten vergelijkbaar is met een standaardafgifte desktopprinter. Het heeft inktreservoirs en sproeiers, een interne ventilator om het koel te houden en een set invoeraansluitingen die kunnen worden gebruikt om het aan te sluiten op een computer in de buurt. Het is onderhevig aan incidentele jam. En toch is het 800-pond stalen en plastic apparaat anders dan alles wat je ooit bent tegengekomen, want wat het print is levend - miljoenen en miljoenen levende menselijke cellen, vervat in een viskeuze gel en geweven door delicate biologisch afbreekbare steunen in een trillende simulacrum van menselijk weefsel.
Van dit verhaal
In situ weefselregeneratie: recrutering van gastheercellen en ontwerp van biomaterialen
Kopengerelateerde inhoud
- Saving Face: hoe een baanbrekende chirurg de grenzen van gezichtstransplantaties verlegt
Het heeft tien jaar geduurd voordat talloze wetenschappers en ingenieurs het Integrated Tissue and Organ Printing System of ITOP hebben gebouwd en verfijnd. Uiteindelijk is het echter het geesteskind van een alleenstaande man: een warrige 59-jarige arts genaamd Anthony Atala. Atala, geboren in Peru, en opgegroeid buiten Miami, heeft vandaag het afgelopen decennium geprobeerd om levende organen te printen, nu directeur van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine.
"Voor mij is het allemaal begonnen in Boston, begin jaren negentig, " herinnert de uroloog en biotechnoloog zich. “Omdat ik toen echt oog in oog kwam te staan met het tekort aan transplantatieorganen.” Atala werkte toen aan zijn eerste post-medische schooloptreden, als onderzoeker aan de Harvard Medical School. Elke week, tijdens zijn rondes in het Boston Children's Hospital, ontmoette hij een andere jonge patiënt die maanden of zelfs jaren had gewacht op een vervangend orgaan. Sommigen stierven voordat een vervangende nier of lever kon worden gevonden. Anderen hadden ernstige immunologische reacties op de getransplanteerde organen. Atala geloofde dat de oplossing helder was, als vergezocht: in het laboratorium gekweekte organen die uit de eigen cellen van een patiënt werden gekweekt en chirurgisch in het lichaam werden geïmplanteerd.
"Het klonk destijds heel science-fiction, " herinnerde Atala, "maar ik wist zeker dat het de toekomst was." In 1999, in een baanbrekend experiment, atala en een team van onderzoekers van het Laboratorium voor Tissue Engineering en Cellulaire Therapeutica in het Kinderziekenhuis bouwde vervangende blazen voor zeven kinderen met een ernstige vorm van spina bifida, een slopende ziekte die de urinewegen en darmen kan beïnvloeden. Om de organen te construeren, bouwden de onderzoekers eerst steigers, of stichtingen, van collageen en synthetisch polymeer. Ze namen weefselmonsters van de patiënten en kweken de cellen uit dat weefsel in vloeistof. Vervolgens bedekten ze de fundamenten met de cellen van de betreffende patiënt - spiercellen aan de buitenkant en blaascellen aan de binnenkant - en lieten de cellen op de steiger "koken" of groeien.
Zeven jaar nadat de eerste op maat gemaakte blazen bij patiënten waren geïmplanteerd, kondigden Atala en Alan Retik, een uroloog in het Kinderziekenhuis, aan dat alle zeven patiënten in goede gezondheid verkeerden. Het was de eerste keer dat in het laboratorium gekweekte organen met succes werden gebruikt als vervanging voor hun ziekelijke biologische tegenhangers. Een krant noemde de resultaten als 'een heilige graal van medicijnen'.
Atala was tevreden. Maar hij wist dat het met de hand bouwen van orgels te veel tijd en moeite kostte om aan de vraag te voldoen. Wat echt nodig was, was een beetje automatisering in Henry Ford-stijl. In 2004 stemde Atala ermee in om een dergelijk initiatief in Wake Forest te leiden, niet ver van North Carolina's Research Triangle, een biotech-hub en thuisbasis voor een handvol 3D-drukkerijen.
Wanneer u online een nieuw lichaamsdeel kunt bestellen, moet u deze arts bedanken.Oorspronkelijk ontwikkeld voor de productie, waren 3D-printers halverwege de jaren 2000 veel verder gegaan dan plastic. Denk aan een materiaal, en de kans is groot dat iemand het bedrukte: nylon, roestvrij staal, chocolade. "Ik zag een afstemming tussen de instelling en de staat om echt te focussen op biotechnologie, " zegt Atala. "Ik wist dat als we deze technologieën naar patiënten zouden pushen, we die infrastructuur en ondersteuning nodig hadden."
Door de jaren heen hebben Atala en zijn medewerkers printers kunnen ontwikkelen die in staat zijn om op maat gemaakte steigers van menselijke organen te printen, die handmatig met menselijke of dierlijke cellen kunnen worden gecoat. Vervolgens bouwden ze een printer die huidcellen rechtstreeks op een patiënt kon afdrukken, zij het in extreem kleine hoeveelheden. Maar het printen van weefsel bleek een grote uitdaging, mede omdat het expanderende weefsel ook een gestage stroom van bloed en voedingsstoffen vereist. Ze konden de cellen afdrukken voor een orgel, of ze konden bloedvaten en ander ondersteunend weefsel afdrukken, maar het lukte ze niet om beide tegelijkertijd op een zodanige manier af te drukken dat het orgaan zou overleven.
Toen kwam de ITOP, met zijn essentiële doorbraaktechnologieën. Unieke reservoirs houden menselijke en dierlijke cellen langer in leven dan eerdere printermodellen; en uiterst precieze naalden, of jets, drukken een rooster van "microkanalen" van 200 micron elk in het biomateriaal. Deze vaten laten voedingsstoffen door het weefsel stromen. In een paper eerder dit jaar gepubliceerd in Nature Biotechnology, onthulden Atala en vijf Wake Forest-onderzoekers dat kraakbeen, bot- en spierweefsel geprint op de ITOP met succes geïmplanteerd waren in knaagdieren en dat het weefsel twee maanden later een bloedsysteem had ontwikkeld bloedvaten en zenuwen. Testen op menselijke patiënten zullen waarschijnlijk volgend jaar volgen, in afwachting van goedkeuring door de overheid.
Er is geen toegewijde futurist voor nodig om de implicaties te begrijpen. Als en wanneer een machine zoals de ITOP wel in commerciële productie gaat, is het misschien ooit mogelijk om een vervangende skin te "bestellen". Naarmate de machines verbeteren, kunnen ze evolueren van het afdrukken van de huid naar het afdrukken van extreem complexe organen zoals nieren. Wereldwijd zouden ziekenhuizen worden uitgerust met de nakomelingen van ITOP. Orgaantekorten behoren tot het verleden.
Dat is de droom die Atala naar biotechnologie heeft gebracht, en het blijft hem draaiende houden. Maar Atala adviseert geduld: tests van bioprinted materiaal op mensen kunnen jaren duren. In de tussentijd heeft hij zijn urologiepraktijk gehandhaafd en ziet hij nog steeds vele patiënten per week, naast stints in de operatiekamer. 'Dat vind ik belangrijk', zegt hij, 'omdat het een herinnering is aan wie je dient - voor wie je dit doet. Het doel van deze technologie is het leven van patiënten te verbeteren. Punt."
Abonneer je nu op het Smithsonian magazine voor slechts $ 12
Dit artikel is een selectie uit het decembernummer van Smithsonian magazine
Kopen
