Nasze możliwości w zakresie zastępowania uszkodzonych bądź utraconych części ciała stale rosną. Z jednej strony rozwija się protetyka oferująca sztuczne odpowiedniki narządów, które niemal zawsze ustępują jednak naturalnym i nie są zdolne do regeneracji. Z drugiej transplantologia eksperymentująca już nawet z przeszczepami międzygatunkowymi, wymagającymi jednak permanentnego przyjmowania nieobojętnych środków osłabiających układ immunologiczny.
Ograniczenia protetyki i transplantologii
Pomiędzy nimi stoi zaś technika druku 3D z biotuszu tworzonego z wykorzystaniem własnych komórek pacjenta, pobranych ze skóry, tkanki tłuszczowej lub szpiku, zajmuje się ona jednak ciągle raczej wytwarzaniem tkanek niż złożonych organów. Szczególnie dobrze sprawdza się w przypadku cienkich, płaskich struktur, wykorzystywanych między innymi do leczenia oparzeń, fragmentów kości i chrząstek oraz odcinków naczyń krwionośnych. Ograniczona rozdzielczość technologii biodruku nie pozwala jednak na odwzorowanie skomplikowanej, wielopoziomowej sieci naczyń włosowatych schodzących aż do skali mikrometrów, bez których niemożliwe jest utrzymanie organu przy życiu zarówno na etapie produkcji, jak też po wszczepieniu do organizmu.
Autotransplantacja
Nasze własne ciało jako idealny dawca tkanek, które nie zostaną odrzucone i nie będą wymagały stosowania środków immunosupresyjnych również posiada istotne ograniczenia. Ilość dostępnego materiału jest tu ograniczona, zaś jego pobranie wiąże się z urazem w miejscu pobrania. Możliwe jest zatem przeszczepianie np. zębów (zwłaszcza zawiązków zębów mądrości), rekonstrukcyjna chirurgia plastyczna, ortopedyczne przeszczepy kostne czy kardiochirurgiczne wykorzystanie naczyń krwionośnych, nie da się w ten sposób zastąpić całych organów.
Ciało jako „automat komórkowy”
Istnieje jednak metoda pozwalająca wytworzenie funkcjonalnego organu lub nawet całego organizmu. Uwzględniając teorię systemów organizmy żywe rozpatrywać można jako biologiczną odmianę automatów komórkowych, które (podobnie jak ich informatyczne odpowiedniki) w oparciu o zespół wbudowanych reguł potrafią wytwarzać rozbudowane i skomplikowane układy z niewielkich struktur początkowych.
Tak też właśnie działa cykl rozwojowy ludzkiego ciała, w którym każda z komórek dziedziczy pełną informację genetyczną opisującą reguły tworzenia całego ustroju. Podczas pierwszych podziałów zarodka jego komórki są totipotentne – każda z nich może rozwinąć się w niezależny organizm, co następuje niekiedy naturalnie, prowadząc do powstania bliźniąt jednojajowych. Wraz z postępem embriogenezy, zdolność komórek do różnicowania się i tworzenia dowolnych struktur stale jednak maleje. Biologicznie posiada istotne uzasadnienie, powstające tkanki ulegają specjalizacji, przystosowując się do określonych funkcji, przy spełnianiu których zachowanie pierwotnej, rozwojowej plastyczności mogłoby już jedynie przeszkadzać. Zabłąkane niewyspecjalizowane zarodkowe komórki macierzyste mogą bowiem spontanicznie przekształcać się w potworniaki, bardzo specyficzną odmianę nowotworów cechującąą się wytwarzaniem w różnych miejscach organizmu bezładnych struktur tkankowych, przykładowo: skóry, włosów, zębów czy mięśni.
Biofabrykacja siłami natury
Narzuca się zatem pomysł, by zamiast sztucznie budować gotowy organ, zainicjować jego naturalne wytworzenie na bazie naturalnego, biologicznego programu. W dojrzałych organizmach występują wspomniane już komórki macierzyste, w szczególności ich dorosła odmiana zachowująca ograniczony zakres wielopotencjalności, mogących dawać początek kilku różnym rodzajom tkanek. Prowadzi się również prace zmierzające do odróżnicowania dorosłych komórek somatycznych do postaci wykazującej cechy komórek zarodkowych. Tak pozyskany materiał można natomiast przekształcić w linie komórkowe interesujących nas organów, hodując in vitro tkanki na – przykładowo – wątroby lub trzustki posiadające pełną zgodność komórkową z organizmem biorcy. W skrajnej postaci można uzyskać nawet cały nowy organizm, jak uczyniono w roku 1996, klonując in vivo owcę Dolly. W omawianym kontekście metoda taka jest jednak zarówno wysoce nadmiarowa, jak też i mocno wątpliwa etycznie.
Obecnie potrafimy skutecznie hodować organoidy, zminiaturyzowane wersje narządów o rozmiarach rzędu milimetrów, które odwzorowują jednak w pomniejszonej skali anatomię oryginalnych organów oraz naśladują ich funkcjonalność. Pobrane komórki macierzyste zawiesza się w hydrożelu imitującym naturalne środowisko rozwojowe i poddaje odpowiedniej biostymulacji inicjującej ich rozwój i samoorganizację. Obecne organoidy nie są w stanie zastąpić pełnowymiarowych organów, nie nadają się zatem jako źródło przeszczepów. Stanowią jednak przedmiot intensywnych prac jako narzędzia do testowania leków, badania chorób i infekcji oraz badań nad rozwojem i fizjologią człowieka.
Wyzwania techniczne
Podobnie jak w przypadku biodruku problemem stojącym na drodze do wyhodowania dojrzałych narządów jest w pierwszym rzędzie niemożność ich właściwego unaczynienia. Nawet jednak umieszczone wewnątrz żywego organizmu, gdzie przerastają siecią naczyń włosowatych gospodarza, nie rozpoczynają dalszego rozwoju. Środowisko dojrzewającego embrionu zapewnia specyficzną i wieloaspektową stymulację, na którą składają się między innymi: gradienty chemiczne wyznaczające kierunki wzrostu, interakcje pomiędzy poszczególnym tkankami i oddziaływania mechaniczne rozrastającego się organizmu. Czynniki te są trudne do odtworzenia zarówno w hodowli in vitro, jak też wewnątrz dorosłego już organizmu.
Mira Żmijewska