Kartridże nabite tkankami i trójwymiarowy druk narządów ludzkiego organizmu. Brzmi jak pomysły rodem ze scenariusza filmu science fiction? Dzięki polskim naukowcom już wkrótce taka będzie rzeczywistość. O tym, jak zmieni to medycynę, mówi nam dr hab. med. Michał Wszoła.
Marek Szymaniak, tvn24.pl: Dlaczego pracujecie nad stworzeniem sztucznej trzustki?
Dr hab. med. Michał Wszoła: Medycyna i technologia rozwijają się bardzo szybko, w efekcie czego nagle powstała bardzo duża grupa ludzi, którzy żyją z przewlekłą niewydolnością jakiegoś narządu, np. nerki, i nie mogą do końca funkcjonować normalnie, gdyż muszą być dializowani. W odpowiedzi na to powstała transplantologia – przeszczepienie nerki jest lepszą metodą leczenia niż ciągłe dializy. Jednak to nadal nie rozwiązuje wszystkich problemów. Rozwój transplantologii ogranicza liczba przeszczepień – będzie ich tylko tyle, ilu dawców, czyli zawsze za mało.
Przeprowadzane przeszczepy to tylko ułamek potrzeb?
Tak. Wystarczy spojrzeć na statystyki. Tylko w Polsce mamy 4 do 5 mln osób z chorobami nerek, z czego 20 tys. z nich już jest dializowanych, a kilkadziesiąt tysięcy kolejnych osób będzie musiało w przyszłości być leczonych w ten sposób. Jest też w Polsce 4 mln chorych na cukrzycę, z czego 200 tys. to cukrzyca typu 1, która dotyczy przeważnie młodszych osób i powoduje więcej powikłań, a także wymaga przewlekłej insulinoterapii. Gdyby policzyć tylko chorych z ciężkimi powikłaniami związanymi z cukrzycą typu pierwszego, czyli 10 do 20 tys. osób, i porównać to z liczbą wszystkich przeszczepień w Polsce: 1,5 tys., stanie się jasne, że jest to kropla w morzu potrzeb. Dlatego trzeba poszukiwać innych dróg, rozwiązań, stworzenia sztucznych organów, dzięki czemu nie będą nam potrzebni dawcy. Takich rozwiązań, w których będziemy w stanie stworzyć narząd na bazie komórek pochodzących od pacjenta – być może z wykorzystaniem też zdobyczy inżynierii materiałowej i inżynierii tkankowej. Dlatego mówimy o bionicznych narządach.
Jakie są poszczególne etapy waszych badań nad technologią stworzenia bionicznej trzustki?
Zdrowa trzustka człowieka produkuje zarówno sok trzustkowy, który pomaga w trawieniu, jak i hormony: insulinę i glukagon, które pilnują odpowiedniego stężenia węglowodanów w naszym organizmie. Jeśli poziom cukru jest zbyt wysoki, to produkowana jest insulina, a gdy zbyt niski – to glukagon. Dzięki temu stężenie jest naturalnie utrzymywany na bezpiecznym poziomie. U cukrzyków ten naturalny mechanizm nie działa. Ich organizm zniszczył wyspy trzustkowe produkujące glukagon i insulinę i muszą oni sami podawać sobie insulinę, co często może prowadzić do powikłań. Naszym pomysłem jest stworzenie bionicznej trzustki, która będzie produkowała insulinę i glukagon. Będzie ona składała się tylko z części hormonalnej.
Jak to zrobić?
Opiszę to w dużym uproszczeniu. Już obecnie zajmujemy się przeszczepami wysepek trzustkowych, czyli takich małych kuleczek występujących normalnie w trzustce (rozmiary wysp trzustkowych to od 50 do około 500 um). Chcemy je potraktować jako tusz do drukarki 3D. Włożymy je do kartridża drukarki, a pozostałe kartridże napełnimy materiałem tkankowym, który zbuduje otoczenie zewnątrzkomórkowe dla wysepek. Następnie opracujemy wzór, w jaki sposób to wydrukujemy. W pierwszym etapie udało nam się już sprawdzić, czy wyspy trzustkowe przeżyją drukowanie 3D. Okazało się, że tak, i udało nam się wydrukować wzór, który wygląda jak siatka (patrz zdjęcie – red.). Teraz chcemy dobrać odpowiednie elementy do pozostałych kartridżów drukarki, aby stworzyć wzór na otoczenie zewnątrzkomórkowe otaczające wyspy, tak aby czuły się one jak u siebie. Musimy im stworzyć warunki, jakie mają naturalnie.
Jak to osiągnąć?
Żeby zaplanować najlepszy wzór do drukowania, posłużymy się tym istniejącym w naturze – przeprowadzimy tak zwaną decelularyzację narządów.
Trudne słowo. Umawialiśmy się, że ich nie będzie.
Już wyjaśniam. Decelularyzacja narządów, w tym przypadku będzie to trzustka, oznacza, że pozbawimy ten narząd masy komórkowej, a zostawimy same tkanki. W efekcie pozostanie sam szkielet trzustki składający się z tkanek – rusztowanie, które nazywamy scaffoldem. Kiedy to się uda, "przepiszemy" ten wzór na obraz komputerowy 3D. Wtedy będziemy mogli wybrać te elementy, które będą się najlepiej nadawały do pomocy przy biodrukowaniu. Jeśli poznamy dokładnie tę strukturę i wybierzemy wzór idealny dla podtrzymywania wysp trzustkowych, to będziemy mogli włożyć w te plasterki wyspy trzustkowe, a one będą mogły tam żyć. Taką mamy nadzieję… Tak wygląda pierwszy etap, w którym znajdziemy najlepszy wzór na strukturę zewnątrzkomórkową do podtrzymywania wysp trzustkowych. Po drukowaniu 3D sprawdzimy funkcjonalność na modelu eksperymentalnym, czyli na zwierzętach.
To jedna gałąź waszych badań. A druga?
To recelularyzacja – czyli próba wykorzystania komórek macierzystych do odtworzenia wysp trzustkowych.
Znowu trudne słowo.
Recelularyzacja to odwrócenie decelularyzacji. Jeśli tam pozbawialiśmy trzustki masy komórkowej, to tutaj będziemy uzupełniali wspomnianą siatkę komórkami macierzystymi. Okazuje się bowiem, że w jakiś cudowny sposób, bardzo często, komórki macierzyste same wiedzą, jak mają odtworzyć daną część narządu. Zatem jeśli przepiszemy obraz zdecelularyzowanej trzustki na obraz 3D, samą strukturę wydrukujemy na drukarce, a następnie napuścimy tam komórki macierzyste, to może się okazać, że ona sama się odrodzi.
Co jeśli to się uda?
Jeżeli znalibyśmy strukturę 3D i mieli obraz, to mielibyśmy wzorzec trzustki i moglibyśmy go zastosować dla każdego. Moglibyśmy wykorzystać potrzebne składniki, czyli m.in. lamininę i kolagen, następnie wrzucić do drukarki 3D i wydrukować rusztowanie, na które należałoby nałożyć komórki macierzyste pacjenta. Po pewnym czasie narząd odbudowałby się i moglibyśmy zaprosić pacjenta do kliniki na przeszczepienie trzustki. Rozwiązywałoby to całkowicie problem niedoboru narządów. To oczywiście wymarzony schemat, który chcielibyśmy, aby się wydarzył.
Kolejny problem to drukowanie naczyń?
Obecna technologia pozwala na druk z rozdzielczością 100 mikrometrów i do 20 warstw na sobie. Jednak naczynia mają bardzo różnorodne i skomplikowane wzory i należałoby je drukować z dużo wyższą rozdzielczością, a na to obecnie nie pozwala technologia. Zatem będzie to jedno z wyzwań do rozwiązania w obecnym programie naukowym, ale nawet jeśli nie uda nam ich stworzyć w takim stopniu, jak byśmy chcieli, to w obecnej chwili wiemy, jak stworzyć naczynia o grubości około 500 mikrometrów, co wydaje się, że mogłoby być wystarczające. Mając takie naczynia jako te najcieńsze, jesteśmy w stanie sprawić, że transport tlenu i innych wartości odżywczych będzie wystarczający, aby utrzymać i odżywiać wyspy trzustkowe. To będzie zaczątek bionicznej trzustki.
Jeśli udałoby się nam stworzyć bioniczną trzustkę, to nie ma powodu uważać, że nie uda się z nerką, wątrobą, sercem czy jakimkolwiek innym narządem. Zajmujemy się trzustką, bo na niej znamy się najlepiej. Jednak nie zapominamy o kolejnych narządach
dr hab. med. Michał Wszoła
Czy państwa technologię będzie można powtórzyć na innych narządach, np. sercu?
Jeśli udałoby się nam stworzyć bioniczną trzustkę, to nie ma powodu uważać, że nie uda się z nerką, wątrobą, sercem czy jakimkolwiek innym narządem. Zajmujemy się trzustką, bo na niej znamy się najlepiej. Jednak nie zapominamy o kolejnych narządach. Być może obecnie brzmi to futurystycznie, ale jeśli uda nam się opracować technologię, to będziemy w stanie wydrukować też inne narządy dla pacjenta. Będzie to wyglądało tak: pacjent zgłosi się do nas, a my pobierzemy wymiary jego narządu, np. serca. Następnie zostanie wydrukowana struktura budulcowa. Kolejny etap to pobranie komórek macierzystych i napuszczenie ich na strukturę, co spowoduje, że komórki odtworzą narząd. W końcowym etapie będzie można znów zaprosić pacjenta do kliniki, aby dokonać przeszczepu właściwie jego własnego narządu. To jest nasz cel ostateczny, ale wiadomo, że nie wydarzy się to w trzy lata.
Zakładając, że się państwu uda – co opracowanie bionicznej trzustki oznacza dla pacjentów chorych na cukrzycę?
Jeśli naturalna produkcja insuliny i glukagonu zostanie zachowana, to poziom węglowodanów będzie stabilny, a więc nie rozwiną się powikłania cukrzycowe, bo nie będzie ani wysokich, ani niskich cukrów. Oznacza to, że u pacjentów z cukrzycą nie będą rozwijały się wtórne powikłania, które często prowadzą do utraty wzroku, niewydolności nerek, utraty kończyn itd. Co więcej, pacjenci chorzy na cukrzycę nie będą musieli już korzystać z zastrzyków z insuliny.
Oznacza to duże oszczędności w leczeniu chorych?
Być może wydrukowanie bionicznej trzustki będzie kosztowało np. kilkaset tysięcy złotych, ale tacy pacjenci nie będą musieli korzystać z innych usług i badań medycznych, co oznacza milionowe oszczędności na jednej osobie. Leczenie powikłań cukrzycowych jest bardzo kosztowne. Zjada to kilkanaście procent budżetów związanych z ochroną zdrowia. Mowa o leczeniu np. niewydolności nerek, stopy cukrzycowej, miażdżycy czy utraty wzroku. To wszystko jest bardzo kosztochłonne, bo cukrzycy chodzą po niemal wszystkich lekarzach, przewijają się przez cały system zdrowia, generując ogromne koszty.
Czy przeszczepy bionicznej trzustki będą przeznaczone tylko dla osób dorosłych, czy też dla dzieci?
Przy leczeniu dzieci trzeba być bardzo ostrożnym w wykorzystywaniu eksperymentalnych metod. Aby się na taką metodę zdecydować, należy być w stu procentach pewnym, że nie można dziecku nic innego zaoferować, bo nie ma już innej drogi. Eksperymentalne metody lepiej stosować na pacjentach, dla których wyczerpały się już znane metody leczenia. W przypadku cukrzycy czy niewydolności nerek istnieją metody, które pozwalają na wieloletnie funkcjonowanie. Wiemy, że nie są one idealne, ale nie wiemy, czy metoda – póki co eksperymentalna – wszczepienia bionicznego narządu będzie lepsza. Aby leczyć takimi metodami dzieci, należy najpierw przejść całą drogę zastosowania ich u dorosłych.
Czy osoby po przeszczepie sztucznej trzustki będą musiały stosować immunosupresję, czyli zażywać leki zapobiegające odrzuceniu narządu?
Chcemy doprowadzić do takiej sytuacji, aby nie trzeba było stosować leków zapobiegających odrzutom narządów, bo to wiąże się z powikłaniami. Naszym końcowym "produktem" ma być narząd, który będzie drukowany z tkanek pacjenta, wiec nie będzie stosowania immounosupresji. To wielki problem transplantologii. Mamy wprawdzie bardzo dobre leki, które są w stanie powstrzymać odrzucenie przeszczepionego narządu, ale same w sobie powodują dziesiątki powikłań i problemów zdrowotnych, a poza tym nie są w stu procentach skuteczne. U części chorych nawet po kilkunastu latach narząd zostaje odrzucony i obecnie nikt nie potrafi tego powstrzymać.
Zniknie problem dawstwa narządów. Na początek mówimy o trzustce, ale jeśli uda się to przenieść na inne narządy, to też będziemy mogli je "produkować". Za kilkanaście lat być może konieczność pobierania narządów od dawców całkowicie zniknie
dr hab. med. Michał Wszoła
Zakładając, że technologia się rozwinie, czy dawcy trzustki nadal będą potrzebni?
Nie będą potrzebni. Zniknie problem dawstwa narządów. Na początek mówimy o trzustce, ale jeśli uda się to przenieść na inne narządy, to też będziemy mogli je "produkować". Za kilkanaście lat być może konieczność pobierania narządów od dawców całkowicie zniknie. A to byłaby bardzo dobra wiadomość, bo liczba dawców jest ograniczona.
Kiedy technologia będzie dostępna dla szerszej grupy pacjentów?
Projekt jest przewidziany na trzy lata. Zamyka się tylko i wyłącznie na badaniach przedklinicznych na zwierzętach. Jeśli będzie skuteczne i stworzymy wzór bionicznej trzustki, to wtedy możemy wystąpić o stosowne pozwolenia na badania kliniczne. Nawet jeśli wszytko pójdzie idealnie, to nie sądzę, aby wcześniej niż za pięć lat można było mówić o badaniach klinicznych, a to i tak byłoby ekspresowe tempo.
Dr hab. med. Michał Wszoła – chirurg ogólny, transplantolog, proktolog i gastrolog. Od wielu lat zajmuje się diagnostyką endoskopową przewodu pokarmowego oraz jest czynnym transplantologiem przeszczepiającym trzustki, wyspy trzustkowe w leczeniu cukrzycy i przewlekłego zapalenia trzustki oraz nerki – zarówno pobrane od dawców zmarłych, jak i w przypadku przeszczepień rodzinnych. Brał udział w pierwszej wymianie par nerek pomiędzy dawcami-biorcami rodzinnymi (2015 r.). Z połączenia jego dwóch pasji – transplantologii i endoskopii powstała nowa metoda miniinwazyjnego leczenia powikłanej cukrzycy – endoskopowe przeszczepienie wysp trzustkowych pod śluzówkę żołądka (wykonał pierwszy tego typu zabieg na świecie, który obecnie stosowany jest również w kilku ośrodkach w USA). Zabieg ten jest proponowany chorym z powikłaną cukrzycą oraz w przypadkach pacjentów z przewlekłym zapaleniem trzustki. W styczniu 2016 r. odznaczony Złotym Krzyżem Zasługi przez Prezydenta Rzeczpospolitej Andrzeja Dudę. Obecnie pracuje nad biodrukowaniem 3D trzustki wraz z Fundacją Badań i Rozwoju Nauki, Warszawskim Uniwersytetem Medycznym (prof. Artur Kamiński), Politechniką Warszawską (prof. Wojciech Święszkowski), Instytutem Biologii Doświadczalnej im. Nenckiego (prof. Agnieszka Dobrzyń), Szpitalem Klinicznym Dzieciątka Jezus (prof. Artur Kwiatkowski) i spółką Medispace. Jest także pomysłodawcą i współtwórcą portalu wymiany wiedzy medycznej www.medtube.net, jednej z największych na świecie baz multimedialnych, odwiedzanego przez profesjonalistów medycyny z ponad 80 krajów świata.