Wyspy dnia jutrzejszego


14-05-2019 18:56:33

Czy chorzy na cukrzycę typu 1 będą mogli kiedyś funkcjonować normalnie i nie będą skazani na przyjmowanie insuliny do końca życia? Polscy naukowcy wydrukowali w technice 3D pierwszy na świecie prototyp bionicznej trzustki.

Bioniczna trzustka jest żywym organem składającym się z komórek i otaczającej je tkanki – macierzy, wraz z układem naczyniowym. Została wydrukowana na drukarce 3D, bardzo drogiej (jedno urządzenie kosztuje 140 tys. zł) i specjalistycznej (biodrukarka umożliwia np. sterylny wydruk).

Zamierzony archipelag

- Nasza „trzustka”, w odróżnieniu od biodruku kostnego, który teraz wchodzi do klinik, ma zawierać w sobie nie tylko elementy rusztowania, ale również żywe komórki i wyspy trzustkowe wraz z układem naczyniowym – czytamy na stronie Fundacji Badań i Rozwoju Nauki (www.fundacjabirn.pl).

Zespół lekarzy i naukowców pracujący w konsorcjum BIONIC pod kierunkiem dr hab. med. Michała Wszoły, chirurga i transplantologa, do wydrukowania bionicznej trzustki potrzebował więc pobranych od świni wysp trzustkowych produkujących glukagon i insulinę. Zamiast zwykłego tuszu użyto specjalnego biotuszu, którego zadaniem było „zlepienie” wysepek i ułożenie ich w odpowiednie miejsca w trójwymiarowej strukturze narządu. Inaczej mówiąc, biotusz imituje naturalne miejsca bytowania w trzustce wysepek produkujących hormony.

W drugim kartridżu drukarki znajduje się inny rodzaj biotuszu, zawierający komórki śródbłonka i umożliwiający wydrukowanie układu naczyniowego, tętnic i żył zgodnie z opracowanym wcześniej wzorem. Oba rodzaje unikatowego biotuszu to wynalazki polskiego zespołu, chronione zgłoszeniem patentowym.

Wydrukowana trzustka została umieszczona w bioreaktorze, gdzie – jak w inkubatorze – dojrzewała jeszcze przez klika dni. Badanie rezonansu magnetycznego i tomografii komputerowej wykazało, że wszystkie naczynia zostały odwzorowane dokładnie w taki sam sposób, jak wcześniej zostało to zaprojektowane w programie komputerowym.

Miliony wysp na miarę pacjenta

Bioniczna trzustka to przede wszystkim nadzieja dla pacjentów, którym nie pomaga standardowe leczenie i u których rozwijają się powikłania cukrzycy (patrz ramka). W naszym kraju jest ok. 200 tys. chorych na cukrzycę typu 1. Szacuje się, że ciężkie powikłania występują u ok. 10 tys. pacjentów i właściwie cała ta grupa powinna zostać zakwalifikowana do przeszczepu. Tymczasem w zeszłym roku w Polsce wykonano... 21 przeszczepień trzustki i jedno przeszczepienie wysp trzustkowych. Podstawowym problemem jest brak dawców. Poza tym jest to ciężki, obarczony dużym ryzykiem zabieg, a pacjent musi przyjmować leki immunosupresyjne zapobiegające odrzuceniu przeszczepu.

Założeniem projektu jest stworzenie trzustki uszytej na miarę, indywidualnie dla każdego pacjenta, z komórek macierzystych wyizolowanych z jego tkanki tłuszczowej. Komórki te zostaną tak zaprogramowane, aby przejęły rolę niewydolnych, zniszczonych przez układ odpornościowy organizmu pacjenta wysepek trzustkowych i zaczęły wydzielać insulinę i glukagon. Następnie za pomocą inżynierii i mechatroniki zostaną ułożone w druku 3D w kompletny narząd, który – aby uniknąć powikłań okołooperacyjnych – zostanie wszczepiony pacjentowi w bezpiecznym miejscu. Ponieważ zadaniem bionicznej trzustki będzie wyłącznie wytwarzanie hormonów regulujących gospodarkę węglowodanową, bez produkcji enzymów trawiennych, nie musi być ona częścią układu trawiennego i może znajdować się poza jamą brzuszną, np. w okolicach biodra. Wydrukowane naczynia krwionośne bionicznej trzustki chirurdzy połączą z własnymi naczyniami krwionośnymi pacjenta – krew obmywająca wyspy trzustkowe dostarczy im tlen i substancje odżywcze, a odbierze insulinę i glukagon.

Dopłynąć do celu

Mamy opanowaną technologię, wiemy, jak to działa in vitro, czyli w warunkach laboratoryjnych, ale nie wiemy jeszcze, jak bioniczna trzustka zachowa się w ciele pacjenta. Zanim w ogóle podejdziemy do pacjenta, musimy więc zrobić wiele badań, które potwierdzą jej funkcjonalność i przeprowadzić wiele testów bezpieczeństwa – mówi dr hab. Michał Wszoła. – Na pewno jest to osiągnięcie na skalę światową, bo nikt jeszcze tak skomplikowanego narządu nie wydrukował. Jesteśmy podekscytowani, niemniej przed nami jeszcze bardzo dużo pracy.

Po przeprowadzeniu eksperymentów na myszach, w październiku bioniczna trzustka wraz z naczyniami zostanie przetestowana na świniach. Pozwoli to sprawdzić, jak narząd będzie żył w żywym organizmie, jak powstanie w nim mikrokrążenie i jaki sposób pod wpływem krążenia zmieni się jego struktura.

Naukowcy muszą też popracować nad skróceniem procedury wydruku. Pierwszy prototyp drukowano 4 godziny. Współpracując z firmą, która skonstruowała biodrukarkę, udało się już tak poprawić ścieżkę druku, że ograniczono go do 2 godzin, docelowo zaś ma trwać nie dłużej niż 30 minut. Pamiętajmy, że do kartridżów wkładane są żywe komórki, które nie mogą pozostawać długo poza krążeniem, bez zaopatrzenia w tlen i substancje odżywcze.

Projekt znajduje się w fazie przedklinicznej, na razie nie zamierzamy jeszcze przeprowadzać żadnych prób na pacjentach. Zakładając, że wszystkie nasze badania i próby pójdą doskonale i zdobędziemy dofinansowanie na kolejny etap badań, najwcześniej za 4-5 lat będziemy mogli mówić o kwalifikowaniu pierwszych pacjentów do badań klinicznych – zapowiada dr hab. Michał Wszoła. – Teraz potrzebujemy inwestora, spokoju i skupienia się na pracy.

Irena Fober

Twórcy trzustki

Projekt „Biodrukowanie 3D rusztowań z wykorzystaniem żywych wysp trzustkowych lub komórek produkujących insulinę w celu stworzenia bionicznej trzustki" realizuje konsorcjum BIONIC, w którego skład wchodzą: Fundacja Badań i Rozwoju Nauki (zespół dr. hab. med Michała Wszoły, koordynatora całego przedsięwzięcia), Instytut Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego (zespół prof. Agnieszki Dobrzyń), Wydział Materiałoznawstwa Politechniki Warszawskiej (zespół prof. Wojciecha Święszkowskiego), Centrum Biostruktury Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego (zespół prof. Artura Kamińskiego), Szpital Kliniczny Dzieciątka Jezus w Warszawie, MediSpace Sp. z o.o.

W 2017 r. BIONIC otrzymał dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu STRATEGMED III.

Sztuczna, więc niedoskonała

Dzisiaj pacjenci z cukrzycą typu 1 żyją dzięki dostarczanej z zewnątrz insulinie. Można ją podawać za pomocą wstrzykiwacza (pen). Wstrzyknięcia bywają bolesne, a właściwe dawkowanie insuliny nie jest proste. Dobowa dawka różni się u poszczególnych osób, a nawet u tej samej osoby, np. z powodu zmienności diety i aktywności fizycznej. Również rozkład dawki insuliny w ciągu doby wykazuje dużą indywidualną zmienność – ilość wstrzykniętej insuliny powinna być zawsze dostosowana do zmian stężenia glukozy w surowicy krwi, a to oznacza częste, nawet kilkunastokrotne w ciągu dnia nakłuwanie i dokonywanie pomiarów glukometrem.

Coraz więcej diabetyków – zwłaszcza dzieci i osoby poniżej 26. roku życia, dla których NFZ przewiduje refundację – korzysta z pompy insulinowej. Urządzenie to w sposób ciągły podaje podskórnie insulinę, niektóre modele (nA razie ciągle w testach klinicznych) w przypadku zarejestrowania hipoglikemii (spadek stężenia glukozy we krwi, niedocukrzenie) podają również drugi produkowany przez trzustkę hormon o przeciwstawnym działaniu do insuliny – glukagon.

Pompy insulinowe są drogie – najnowsze modele, które można nazwać „sztuczną trzustką", z ciągłym monitorowaniem glikemii, blokadą wstrzykiwania insuliny w razie hipoglikemii, a nawet potrafiące przewidzieć na podstawie algorytmów możliwość wystąpienia spadku cukru, kosztują kilkanaście tysięcy złotych. Do tego dochodzi koszt insuliny i elektrod potrzebnych do ciągłego pomiaru stężenia glukozy we krwi. Jednak nawet najdroższa i najbardziej nowoczesna „sztuczna trzustka” nie daje gwarancji utrzymania prawidłowej glikemii. Ponadto większość z urządzeń trzeba „kalibrować” przynajmniej raz dziennie – czyli kontorlować przy pomocy innego urządzenia poziom cukru i sprawdzać, czy pompa podaje dobre wyniki – najlepsza zgodność to obecnie ok. 90%, a to oznacza, że 10% dziennych pomiarów (czyli ok. 30 dziennie!) jest nieprawidłowych. Hipoglikemia ma poważne konsekwencje dla zdrowia. Znaczny spadek poziomu cukru we krwi może zakończyć się śpiączką, a nawet doprowadzić do śmierci. Ponieważ mózg odżywia się wyłącznie glukozą, gdy jej zabraknie, po prostu wyłącza się. Z kolei powtarzające się, nieuświadomione epizody umiarkowanej hipoglikemii powodują dysfunkcje poznawcze, kłopoty z zapamiętywaniem i koncentracją, upośledzają koordynację ruchową, potęgują zmęczenie, zwiększają ryzyko powikłań sercowo-naczyniowych, jak zawał serca czy nadciśnienie tętnicze.

Szacuje się, że w Polsce chorzy na cukrzycę doświadczają ponad 200 tys. ciężkich epizodów hipoglikemii w ciągu roku. Tacy pacjenci mają 6 razy większe ryzyko zgonu spowodowanego cukrzycą. Inne powikłania cukrzycowe to m.in. niewydolność nerek i utrata wzroku na skutek polineuropatii.

Wszystkich tych problemów można by uniknąć, gdyby organizm chorego zaczął sam produkować insulinę i glukagon. Rozwiązaniem jest przeszczep trzustki, wysp trzustkowych lub – w przyszłości – bionicznej trzustki.

16-17
Aktualny numer WSZYSTKIE
eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl