For få av oss donerer organer til å dekke behovet til alvorlig lunge- og hjertesyke som står i kø for å få nye organer. Om de ikke får transplantert nytt organ i tide, kan de dø.

Bare i 2014 døde tolv pasienter i Norge mens de ventet forgjeves på donor. 

Samtidig er teknologien med å printe kunstige organer av levende vev i rask utvikling. For dette er ikke lenger bare science fiction. 3D-printing av celler brukes allerede i medisinske forsøk. 

Printet ut kunstig, levende øre

Det var et gjennombrudd da en amerikansk forsker printet ut et lite øre av levende brusk-celler for bare for ti måneder siden.

De holdt det levende i flere uker i en petriskål. Så transplanterte forskerne det inn under huden på en mus. 

Etter to måneder hadde øret, på størrelse med et lite spedbarns, fått tilvekst av blodårer og cellene levde fortsatt. 

Denne bragden ved Wake Forest School of Medicine viser at vi står foran en ny, revolusjonerende mulighet til å reparere og erstatte syke og skadde organer, uavhengig av donorer.  

– Teknologien har et stort potensial til å printe ut vev og organer til klinisk bruk, sa professor Joel C. Glover nylig på et foredrag om 3D-printing i regi av Bioteknologirådet i Oslo.

Han er leder ved Nasjonalt senter for stamcelleforskning ved Oslo Universitetssykehus og professor ved avdeling for molekylærmedisin, UiO.

Kan printe ut hva som helst

En vanlig printer som de fleste har hjemme, kan bare skrive ut i to plan. Men nå kan du også få kjøpt en 3D-printer i enkelte butikker i Norge. Prisen ligger mellom 3000 og 30 000 kroner på nettbutikker.

Med en slik kan du for eksempel printe ut en artig lekefigur i plast til ungene.

– Eller du kan printe ut reservedeler til vaskemaskinen, og det spås at produsenter av plastdeler vil slite i fremtiden fordi alle vil kunne gjøre dette hjemme, sier Glover.

I denne fortfilm-videoen kan du se hvordan en 3D-printer fungerer:

Du må bare mate printerens datamaskin med en 3D-beskrivelse av hvordan delen skal bli, og fylle på med materiale, og så tyter materialet ut i den fasongen du har bestilt.

Det vanligste er å printe ut deler i plast, men i prinsippet kan du fylle printeren med hva som helst.

I flere år har forskere printet ut kjeveben og hofter av titan. Fordelen med å printe fremfor å støpe er at reservedelene bedre kan tilpasses hver enkelt pasient. 

Gelé med celler

3D-printing med celler begynte med at stamcellebiologer for mange år tenkte at 3D-printing kunne brukes med levende materiale, og lurte på om det gikk an å printe ut tredimensjonale former med menneskeceller, fortalte Glover. 

Fordelen med å printe i tre dimensjoner, er at cellene utvikler og beholder sine riktige funksjoner bedre og lenger.

– Leverceller flatt på et brett kan beholde sine spesifikke egenskaper i noen få dager, men i tre dimensjoner kan de beholde dem i flere uker, sa han. Men å printe levende vev er langt vanskeligere.

Forskerne gikk igang med å lage printerhoder som kunne fylles med en slags geléløsning, som inneholdt celler. 

– Et av de første eksemplene var noen små dråper, hvor hver dråpe inneholdt noen hundretalls celler, sa Glover.

Slike printere som kan printe med celler til medisinsk bruk koster omlag tre millioner kroner. 

Må ha et materiale cellene kan leve i

Men det er ikke lett å få strukturer laget av celler til å holde riktig fasong.

– Det er nemlig svært vanskelig å printe ut et organ bare med celler, fortalte Glover. De må støttes av et materiale rundt seg.

Derfor må forskere bruke materialer som cellene tåler og kan vokse i, såkalte biokompatible materialer, til å bygge organer ut fra. Det finnes mange typer, og de fleste består av en såkalt hydrogelé.

Det var dette forskeren Anthony Atala og hans forskerteam brukte da de programmerte fasongen til et øre, matet dette inn i maskinen og printet det ut. Han er professor ved Wake Forest Institute for Regenerative Medicine i North Carolina i USA.  

– Dette øret hadde bruskceller og innebygde kanaler for blodomløp, understreket Glover.

Lyktes med å lage deler av organer

Med hjelp av en 3D-printer har forskerne klart å gjenskape strukturen til organet de vil kopiere, nesten ned til enkeltcellenivå. 

De har også klart å få noen celler til å dele seg og bli en cellekultur. Det enkleste organet å printe er hud av ekte hudceller som kan transplanteres på brannskader. Dette har forskere i andre land allerede testet på mennesker. 

Ved Universitetet i Bergen har de lyktes med å printe og transplantere levende beinvev til kunstige kjever. Forsker, oralkirurg og tannlege Cecilie Gudvang Gjerde har operert et titall pasienter, skriver TU.

Men hele hjerter, levere og nyrer er blant de mest utfordrende organene å printe ut med dagens teknologi. Det er fordi de har en komplisert struktur som består av flere celletyper. Men her er også behovet for organer størst. 

Forskerne har derimot lyktes med å printe deler av slike organer, som kan brukes til å reparere pasientens syke organ.

– Ved å fylle på med stamceller fra lever, har forskere klart å etterligne en del av leverens funksjoner, sa Glover.

De har også klart å lage hulrom i geleen, som gjør at celler kan plassere seg inni dem.

–  På denne måten begynner forskere å lage deler av organer, som på sikt kan brukes til å skjøte på et skadet organ hos pasienten.  

Blodforsyning en utfordring

Men selv om forskerne klarer å forme en gelé til en tredimensjonal fasong som celler kan overleve i, er det flere utfordringer.

– Når man printer ut vev har det ikke naturlig blodforsyning. Celler kan ikke overleve lenge uten oksygen og næringsstoffer, forklarte Glover.

De må derfor også lage kanaler som kan forsyne det nye organet med blod.

Forskerne har klart å printe ut vev med innebygde kanaler. Ulike metoder for dette er under utvikling, blant annet det som kalles nano-origami. Det består av nanostrukturer som kan brettes eller rulles sammen til bestemte strukturer og monteres inn i vevet. 

Her kan du lese mer om forskere i Bergen som lager kunstige blodårer ved hjelp av nanoteknologi, i denne artikkelen fra Forskningsrådet. 

Må ha stamceller

I fosterlivet danner stamceller ulike typer celler, avhengig av hvilke molekylære signaler de får. Alt fra beinceller til blodceller og leverceller.

– De mest primitive stamcellene kan differensiere seg til hvilke celler som helst, avhengig av miljøet, så det er slike stamceller vi bruker til dette, forklarer Glover. 

Under fosterutvikling vil stamceller og cellene de produserer foreta en selvorganisering. Da dannes vevsstrukturer automatisk.

– Vi kan dra nytte av kunnskap om fosterutvikling til å bruke cellenes egen evne til å selvorganisere seg, sier Glover.

Men likevel er det utfordringer ved at celler i en petriskål, like gjerne organiserer seg hulter til bulter, fordi de ikke har et anatomisk system å følge.

– Her vil 3D-printing være gunstig for å etablere et mønster som gjør at selvorganiseringen gir riktig form og størrelse etter cellene som er printet ut, forklarte han.

Printing kan skade cellene

Det er to printer-teknologier som brukes til 3D-printing av celler. De kan sammenlignes med de velkjente laserprinterne og blekkprinterne til kontorbruk.

– Den metoden som ligner på blekkprinting, har utfordringer med at cellene og geleen utsettes for skjærekrefter når de presses gjennom printerhodet, fordi det er så tynt, sa Glover.

Det er en påkjenning som kan skade cellene. Dessuten kan denne printingen ta lang tid. 

Den andre metoden som ligner laserprinting, har to fordeler: Den er mer skånsom for cellene og printingen går rasende fort. Begge metoder krever at forskerne passer på å ha riktig temperatur og sørge for at cellene får oksygen under printingen.

Kan printe nok celler til et menneskehjerte på en halvtime

Med lasermetoden kan forskerne få høyere oppløsning, fordi de ikke er avhengig av dimensjonen på printerhodet. Her sørger laserenergien for å dytte cellene på plass i et ønsket mønster, ved å sende laserstrålen gjennom et mikroskopglass, der undersiden er dekket med et lite væskelag med cellene.

– Med laserbasert celleprinting kan celler printes med høy hastighet. Det er teknisk mulig å printe nok celler til et helt menneskehjerte i løpet av 33 minutter, ifølge Glover.

I fremtiden kan man tenke seg at stamceller kan lages fra en hjertepasient, differensieres til ulike typer hjerteceller som hjertet består av, og at hjertet kan printes ut mens pasienten opereres for hjertetransplantasjon.  

Første transplantasjon innen 5-10 år?

Glover anslår at vi kan få den første organtransplantasjonen med et 3D-printet organ innen 5-10 år, til tross for utfordringene forskerne står overfor.

Noen organer er slik oppbygd at de har bindevev som holder cellene på plass. For eksempel er hjertet et slikt organ. et alternativ til organprinting er å bruke bindevevet som en mal der syke celler fjernes og blir erstattet av friske celler laget fra stamceller. 

– Forskere har tømt et rottehjerte for celler slik at de står igjen med det tomme bindevevs- «skjelettet». Målet er å fylle på med stamceller slik at man bygger opp et friskt, fungerende hjerte.

Men mye forskning gjenstår fortsatt for å kunne lage friske hjerter fra en mal.

– For å få dette til, må man få cellene til å komme på riktig plass, sa Glover.

Glover har mer tro på at forskerne først klarer å lage en urinblære på denne måten eller ved printing. Urinblærer er allerede bygget opp fra celler og biomaterialer og transplantert inn i mennesker.

– Urinblæren er et relativt enkelt organ, og vil nok være blant de tidligste kliniske mål for denne teknologien, mente Glover.

Cellebank mot avstøting

En av utforingene som ved vanlige organtransplantasjoner, er risikoen for at organet støtes ut av kroppen. Dette skjer hvis vevstypen er forskjellig fra pasientens, men kan skje uavhengig av dette.

– Dette er et stort problem. I Japan har de satset på å løse dette ved å bygge opp en cellebank av stamceller fra et begrenset antall individer. Dette er jo mindre ressurskrevende enn å ta vare på stamceller fra hvert enkelt individ.

Men fordelen i Japan er at befolkningen er genetisk ganske homogen, så en slik cellebank vil neppe fungere like bra i land som USA, påpekte Glover.

Må testes grundig først

Glover understreker at kunstige, komplekse organer må testes grundig før forskerne setter i gang kliniske forsøk med transplantasjon.

– Hendelsene ved Karolinska Institutet har vært en alvorlig advarsel mot å gå i gang for tidlig. Skandalen har skadet det svenske universitetssykehusets anseelse betraktelig, poengterer han.

I denne artikkelen fra De nasjonale forskningstiske komiteene kan du lese mer om den italienske forskeren Paolo Macchiarini som fikk sparken fra Karolinska etter å ha skjult at flere pasienter døde som følge av at de fikk operert inn luftrør av plast ilagt stamceller.

En fare med 3D-printede organer er at cellene kan fortsette å dele seg, slik at det dannes vulster, selv om stamcellene under normal fosterutvikling har en innebygd tendens til å stoppe på riktig tid.

– Dette må man teste ut veldig godt i forkant, understreket Glover.

Testing av medisiner

Selv om transplantasjon av nyrer, blære, lever og hjerte ligger noen år frem i tid, kan 3D-printing av vev allerede brukes til medisinsk nytte.

– Vi har en rekke bruksmåter allerede, der teknologien kommer til stor nytte medisinsk, sa Glover. For eksempel bruker forskerne 3D-printing til å:

• Undersøke hvordan friskt vev utvikler seg
• Printe ut vev fra stamceller høstet fra syke personer, for å undersøke hvordan sykdomsutviklingen skjer i vevet
• Teste medikamenter for å se hvordan de virker inn på ulike vevstyper
• Bruke det som klinisk erstatning av mindre vevsbiter og deler av organer.
• Lage benvev, levende knokkelvev.

–  Vi kan printe ut standardiserte kretser av nerveceller og teste ut flere tusen potensielle medikamenter på disse samtidig for å sammenligne effektene.

Kan ikke kurere alle sykdommer

Glover tror at transplantasjoner av 3D-printede organer og organdeler som blære, lever, hjerte og hjernevev kan gjøres i overskuelig fremtid. Men transplantasjon av printet vev vil ikke hjelpe mot alle formål.

Mer systemiske sykdommer som påvirker celler spredt over store deler av kroppen, slik som muskelsvinnsykdommer som ALS og Duchenne eller hjernesykdommer som Parkinsons er en mye større utfordring, og kan neppe behandles helt med transplantasjon.

– Dette skyldes den biologiske kompleksiteten i menneskekroppen, og særlig i hjernen, sa Glover.

Referanser: 

Joel Glover: 3D bioprinting applications for in vitro modeling of cellular interactions and tissues. Cellular Therapy and Transplantation. 24. juni 2016. ISSN 1866-8836.  5(2), s 8- 10 . doi:10.18620/1866-8836-2016-5-2-8-11