Anthony Atala: Drukowanie ludzkiej nerki

Dziś jednym z głównych problemów medycyny jest niedobór organów. Faktem jest to, że żyjemy dłużej. Medycyna radzi sobie coraz lepiej przedłużając nasze życie. Ale wraz z wiekiem, narządy coraz częściej zawodzą. Teraz, nie mamy wystarczającej liczby organów do przeszczepu. Podczas ostatnich 10 lat liczba pacjentów oczekujących na przeszczep podwoiła się, w tym samym czasie liczba przeszczepów nieznacznie wzrosła. To największy problem służby zdrowia.

Teraz na arenę wkracza medycyna regeneracyjna. Obejmuje ona wiele dziedzin. Można zastosować tzw. rusztowania, materiały biologiczne-- podobne do tkanin naszej bluzki lub koszuli -- szczególne materiały, które mogą być wszczepione pacjentom i pomóc im się zregenerować. Można też używać samych komórek, mogą to być komórki własne lub różne populacje komórek macierzystych. Można też użyć obydwu; połączyć biomateriały z komórkami. Tym właśnie zajmują się dziś naukowcy.

Ale właściwie nie jest to nowa dziedzina. Co ciekawe, ta książka została wydana w 1938 roku. Zatytułowana jest "Hodowla Organów." Jej pierwszym autorem jest laureat Nagrody Nobla - Alexis Carrel. Wynalazł on właściwie metodę stosowaną dzisiaj, zszywania naczyń krwionośnych. Do dziś część przeszczepów naczyń krwionośnych odbywa się według jego pomysłu. Ale chciałbym skupić się na współautorze: Charlesie Laindberghu. To ten sam Charls Lindenberg, który spędził resztę swojego życia pracując z Alexisem w Rockefeller Institute w Nowym Jorku nad hodowlą organów.

Jeśli ta dziedzina istnieje tak długo, to dlaczego tak nieznaczny jest postęp kliniczny? Ma to do czynienia z wieloma wyzwaniami. Jeśli miałbym wskazać trzy główne, pierwszym byłoby zaplanowanie takich materiałów, które dałyby się wszczepić w ludzkie ciało i przetrwały w nim pewien czas. Dzięki dzisiejszym technologiom, możemy tego dokonać z łatwością. Drugim z kolei wyzwaniem byłyby komórki. Nie możemy wyhodować wystarczająco dużo własnych komórek poza ludzkim ciałem. Przez ostatnie 20 lat, właściwie opanowaliśmy tę sztukę. Wielu naukowców może teraz wyhodować wiele różnych rodzajów komórek -- dodatkowo mamy jeszcze komórki macierzyste. Ale nawet teraz, w 2011 roku, istnieją pewne odmiany komórek, których nie możemy wyhodować poza pacjentem. Komórki wątroby, nerwowe, czy komórki trzustki -- ich hodowla jest niemożliwa nawet dzisiaj. Trzecim wyzwaniem jest unaczynnienie -- sposób, jak dostarczyć krew, aby tkanki, czy narządy, które stworzymy mogły przeżyć.

Na razie używamy materiałów biologicznych. Oto właśnie jeden z nich. Możemy je tkać, wiązać lub robić je jak to tu widzicie. Jest to właściwie maszyna jak do waty cukrowej. Widzieliście jak natryskuje się włókno. To było tak jak w przypadku włókien waty cukrowej, tworzenie struktury o kształcie cylindrycznym, która jest materiałem biologicznym nadającym się do zastosowania aby pomóc organizmowi zregenerować daną tkankę, używając jego własnych komórek. Metodę tę wykorzystaliśmy w tym przypadku.

To jest właśnie pacjent, u którego jeden z narządów obumarł. Najpierw stworzyliśmy ten pomysłowy materiał biologiczny, a następnie użyliśmy go aby zastąpić i naprawić tkankę pacjenta. Polegało to na tym, że użyliśmy materiału biologicznego jako "mostu" na którym komórki organizmu pacjenta mogły się rozwijać, zapełnić ubytek, i zregenerować tkankę. Tutaj widzicie zdjęcie rentgenowskie tkanki, wykonane sześć miesięcy później, która -- jak okazuje się pod mikroskopem -- jest w pełni zregenerowana. Można użyć również tylko komórek. Oto komórki, które uzyskalilśmy. Są to komórki macierzyste, które otrzymaliśmy ze specjalnych źródeł a następnie możemy je doprowadzić do przekształcenia się w komórki serca. W grupie zaczęły robić skurcze. Zatem "wiedzą", co mają robić. Komórki mają genetycznie zapisane, jaka jest ich praca, i dlatego zaczęły się się kurczyć i rozkurczać. Dziś, podejmuje się wiele prób klinicznych używając różnych rodzajów komórek macierzystych, do leczenia chorób serca -- aby dokładnie to samo zjawisko zaszło w organizmie pacjenta.

Jeśli użylibyśmy większych struktur, aby zastąpić większe struktury moglibyśmy używać komórek pobranych z ciała pacjenta, lub z hodowli, w połączeniu z materiałami biologicznymi i "rusztowaniami." Pojawił się więc pomysł: jeśli miałbyś chory lub uszkodzony narząd, pobierzemy bardzo mały fragment tej tkanki -- mniejszy niż połowa znaczka pocztowego. Następnie wyodrębnimy komórki, i namnożymy je poza ciałem. Później uformujemy rusztowanie z materiału biologicznego, wyglądające podobnie jak tkanina twojej bluzy, lub koszuli. Ukształtujemy ten materiał i użyjemy wyhodowanych wcześniej komórek do pokrycia go po jednej warstwie -- podobnie jak wtedy, kiedy piecze się tort. Potem umieścimy go w urządzeniu na wzór piekarnika, wtedy będziemy mogli tworzyć tę strukturę i ją stosować. Oto jest zastawka serca, którą w ten sposób zaprojektowaliśmy. Widzicie tutaj budowę zastawki serca, którą obsialiśmy komórkami i teraz "trenujemy" ją Możecie zobaczyć jak jej płatki zamykają się i otwierają -- tej zastawki serca, która jest na razie testowana eksperymentalnie, i trwają nad nią prace, aby można było ją lepiej poznać.

Inna technologia, której użyliśmy na pacjentach dotyczy pęcherzy moczowych. Pobieramy bardzo mały fragment pęcherza pacjenta -- mniej niż połowa znaczka pocztowego. Poza organizmem namnażamy komórki, bierzemy "rusztowanie" i pokrywamy je komórkami -- dwoma różnymi rodzajami komórek pobranych od pacjenta. Następnie umieszczamy całość w urządzeniu na wzór piekarnika. W jego wnętrzu są takie same warunki jak w ludzkim ciele -- 35 stopni Celcjusza, 95 procent tlenu. Kilka tygodni później mieliśmy nasz gotowy organ gotowy do wszczepienia go z powrotem pacjentowi. Dokładnie tym pacjentom po prostu wszywaliśmy go. Wprawdzie używamy trójwymiarowej analizy graficznej, ale wszystkie materiały biologiczne tworzymy ręcznie.

Mamy teraz jednakże możliwości wytworzenia w doskonalszy sposób struktury z komórek. Używamy teraz pewnych metod, w których dla organów wewnętrznych -- jak na przykład wątroba -- bierzemy odrzucone wątroby. Jak wiecie, wielu odrzuconych narządów nie używa się. Pobieramy zatem te części wątroby, które nie są używane, a następnie wkładamy do urządzenia podobnego do pralki, które pozwala wymywać z niej komórki. Dwa tygodnie później, otrzymujemy coś co wygląda jak wątroba. Możesz traktować ją jako wątrobę ale nie ma ona komórek -- jest to tylko jej szkielet. Możemy wtedy zapełnić ją ponownie innymi komórkami, zachowując naturalne naczynia krwionośne. Przepłukaliśmy tę gałąź naczyń krwionośnych naczyniami krwionośnymi należącymi do pacjenta i zapełniliśmy tkankę organu komórkami wątrobowymi. Teraz mogę wam pokazać tworzenie tkanki ludzkiej wątroby przez ostatni miesiąc używając tej technologii.

Inną metodą, którą stosowaliśmy jest drukowanie. Wprawdzie jest to drukarka atramentowa, ale zamiast atramentu używamy komórek. Widzicie teraz głowicę, która porusza się i "drukuje" tkankę. Wydrukowanie całości zabiera jej około 40 minut. Jest tam trójwymiarowy przenośnik, który właściwie przesuwa się w dół o jedną warstwę, za każdym razem, kiedy głowica przejdzie. W końcu możemy otrzymać gotową strukturę. Możemy ją wyciągnąć z drukarki i wszczepić pacjentowi. W tym przypadku jest to fragment kości -- widzicie go teraz na slajdzie -- który wytworzony został drukarką a następnie wszczepiony. Była to cała nowa kość, która została wszczepiona, przy użyciu wspomnianych metod.

Inną, bardziej zaawansowaną techniką, nad którą aktualnie pracujemy, która będzie następną generacją techniczną są bardziej skomplikowane drukarki. Ta, nad którą teraz pracujemy ma być tą, która drukuje na organizmie pacjenta. Spójrzcie tutaj -- wiem, że brzmi to trochę zabawnie, ale jest to sposób, w jaki to działa. Zasada jest taka, że potrzebujesz pacjenta z jakąś raną, bierzesz skaner podobny do tego, jakim posługujesz się na co dzień. Widzicie go po prawej stronie; jest to system skanowania, który najpierw analizuje ranę pacjenta, a następnie wysyła informacje do głowicy drukującej, która tworzy warstwy -- dokładnie te których potrzebujesz -- na ciele pacjenta.

Tutaj widzicie jak to działa. Mamy tu skaner wykonujący analizę rany. Kiedy już to zrobi, wysyła informacje jakie powinno być ułożenie komórek w każdej z warstw. Tutaj widzicie demonstrację tego co do tej pory zostało zrobione na przykładowej ranie. Używaliśmy do tego żelu, takiego, że mogłeś go podnieść. Kiedy komórki są już na ciele pacjenta, przyklejają się dokładnie tam, gdzie mają być. Jest to w zasadzie nowa technologia, ciągle rozwijana.

Ale pracujemy również nad jeszcze bardziej zaawansowanymi drukarkami. W rzeczywistości, naszym największym wyzwaniem, są organy. Nie wiem, czy zdajecie sobie sprawę z tego, że 90 procent pacjentów oczekujących na przeszczep potrzebuje nerki. Ludzie umierają każdego dnia, ponieważ nie ma wystarczająco dawców. Jest to naprawdę trudne wyzwanie -- duży, unaczynniony narząd, przez który przepływa mnóstwo krwi, i zbudowany jest z wielu rodzajów komórek. Plan działania jest następujący -- oto zdjęcia z tomografii komputerowej, zdjęcie rentgenowskie -- zrobione warstwa po warstwie, by przy użyciu skomputeryzowanej analizy morfometrycznej przetwarzejącej informacje graficzne i trójwymiarowej rekonstrukcji aby uzyskać dokładny model nerki pacjenta. Jesteśmy więc w stanie zrobić jej obraz, dokonać rotacji o 360 stopni aby dokładnie opisać jej parametry objętościowe, i dopiero wtedy jesteśmy w stanie zebrać wszystkie informacje, i zeskanować je w skomputeryzowanej formie drukarskiej. Zatem warstwa po warstwie -- całą nerkę -- analizujemy każdą z nich. Dopiero wtedy możemy posłać informacje, jak tu widać, i wprowadzić je do komputera, który projektuje narząd dla pacjenta. To jest nasza drukarka, a tak wygląda proces drukowania.

Przywiozłem dziś ze sobą to urządzenie. Przez cały czas, kiedy mówiłem, mogliście zobaczyć za moimi plecami podczas pracy. Jest to drukarka, której używamy i aktualnie drukuje nam nerkę dokładnie tak jak widzieliście. Potrzebuje około siedmiu godzin, aby wydrukować nerkę, w tym momencie pozostało jej jakieś trzy godziny. Na scenę wkracza teraz Dr Kang, i pokażemy wam jedną z naszych nerek, którą skończyliśmy drukować kilka godzin wcześniej. Włożę rękawiczki. Dziękuję. Cofnij się. Prawdę mówiąc te rękawiczki są na mnie trochę za małe. Widzicie tę nerkę, która została wydrukowana kilka godzin wcześniej.

(Brawa)

Ma tę konsystencję. Dr Kang jest w naszym zespole i pracuje z nami nad tym projektem. Dziękuję, doktorze Kang. Docieniam to.

(Brawa)

Mamy do czynienia z nową generacją nauki. Jest nią drukarka za moimi plecami. Pracujemy nad nową technologią. Ale pracujemy już nad tym całkiem długi czas. Pokażę wam detal, w zakresie technologii, którą zastosowaliśmy dla pacjentów od pewnego czasu.

Jest to bardzo krótki fragment -- trwa około 30 sekund -- przedstawiający pacjenta, który dostał przeszczep organu.

(Wideo) Luke Massella: Byłem naprawdę chory. Ledwie wstawałem z łóżka. Opuszczałem szkołę, byłem nieszczęśliwy. Nie mogłem wyjść na przerwie i pograć w koszykówkę bez uczucia jakbym miał zaraz zemdleć, kiedy już wracałem. Czułem się bardzo chory. Stałem w obliczu konieczności dializy przez całe życie, i nie chcę nawet myśleć, jak moje życie wyglądałoby dalej. Po dokonanej operacji, życie stało się o wiele lepsze. Mogłem robić o wiele więcej. W liceum zostałem nawet zapaśnikiem. Zostałem kapitanem drużyny, i to było wspaniałe. Byłem normalnym dzieckiem, jak moi koledzy. Pęcherz był zrobiony z moich własnych komórek, więc nie miałem żadnych powikłań. Dzięki temu jestem kompletny.

(Brawa)

Juan Enriquez: Te eksperymenty czasem działają i jest naprawdę świetnie, kiedy nam się uda. Luke, chodź do nas.

(Brawa)

Luke, pomijając wczorajszy wieczór, kiedy ostatni raz widziałeś Tony'ego?

LM: 10 lat temu, kiedy miałem operację -- naprawdę wspaniale go widzieć.

(Śmiech)

(Brawa)

JE: Opowiedz nam coś o tym, co teraz robisz.

LM: Studiuję na Uniwersytecie Connecticut. Jestem na drugim roku i studiuję komunikację, i środki masowego przekazu. Żyję jak moi rówieśnicy, dokładnie tak jak zawsze chciałem. Ale było bardzo trudno, ponieważ urodziłem się z rozszczepem kręgosłupa, a moje nerki i pęcherz moczowy nie funkcjonowały. Przeszedłem 16 operacji, i wyglądało na to, że nie da się nic zrobić, po tym jak moje nerki odmówiły posłuszeństwa, kiedy miałem 10 lat. Następnie miałem przeszczep, który uratował moje życie i sprawił, że jestem kim jestem.

(Brawa)

JE: A to wszystko dzięki Tony'emu?

LM: Z tego co wiem, ciężko pracuje w swoim laboratorium i robi to z szalonymi współpracownikami. Byłem jedną z pierwszych 10 osób, które zostały poddane tej operacji. Kiedy miałem 10 lat, nie zdawałem sobie z tego sprawy. Byłem małym dzieckiem, i mówiłem: "O tak, super. Będę miał operację." (Śmiech) Wtedy chciałem tylko aby mi się polepszyło, i nie zdawałem sobie sprawy z tego, jak było to wspaniałe -- aż do dzisiaj, kiedy widzę te zadziwiające rzeczy, których on dokonał.

JE: Kiedy otrzymałeś niespodziewany telefon-- Tony jest naprawdę nieśmiały, i bardzo długo zajęło nam przekonywanie kogoś tak skromnego jak on, aby pozwolił nam zaprosić Luke'a. A więc Luke, udałeś się do swoich profesorów komunikacji -- specjalizujesz się w komunikacji-- i zapytałeś ich o zgodę na wstąpienie w TED, który ma trochę związek z komunikacją, jaka była ich reakcja?

LM: Większość z moich profesorów była za tym, i mówili: "przywieź zdjęcia i pokaż mi fragment w internecie," czy "Cieszę się razem z tobą." Kilku było bardziej opornych, ale musiałem z nimi porozmawiać. Przeciągnąłem ich na swoją stronę.

To zaszczyt i przywilej Cię spotkać. Dziękuję bardzo. (LM: Dziękuję.)

JE: Dziękuję Ci, Tony.

(Brawa)