Fra én enkelt celle til et lite barn: Når fosteret vokser i mors mage skjer det komplekse reaksjoner. Så langt er forskerne langt unna å kopiere denne prosessen, men målet er å kunne lage kunstige organer.
Det er flere steg på veien dit. Forskere har klart å printe celler på en overflate og lage todimensjonale strukturer. Det jobbes også med å lage organoider – miniorganer som gjør det mulig å teste medisiner.
Likevel er det et godt stykke igjen til hele tredimensjonale organer som for eksempel kan brukes til organtransplantasjon.
– Det er vanskelig å konkurrere med naturen. Den har mange tusen års evolusjon forsprang og har gjort så mye prøving og feiling for å få prosessen til å gå så fort som mulig, sier professor i biomaterialer, Håvard Haugen, ved Universitetet i Oslo.
Hva er organoider?
En organoide er vev fra et organ som dyrkes på et laboratorium. For eksempel kan vev fra leveren brukes til å se hvordan leveren bryter ned enkelte stoffer.
Organoider brukes i medisinsk forskning, blant annet for å teste hvordan en medisin virker på et organ.
Når forskerne skal prøve å gjøre det samme på lab, gjerne raskere og mer effektivt enn i kroppen, er det en stor utfordring. Det er så mange faktorer som de ikke kan kontrollere som spiller en rolle.
– Det er enormt komplisert, skyter matematikeren Timo Koch inn.
– Det er ikke bare vev. Under naturlige forhold er vevet koblet til hele menneskekroppen. Vev henger sammen med et større system. Kroppen passer på å ha de rette forholdene hele tiden, sier han.
Haugen og Koch er to av flere forskere som står bak gjennombruddet.
Ved Institutt for klinisk odontologi har de en avansert material-scanner. Denne har blitt brukt til å kartlegge strukturene de har laget. På en spiker midt i kammeret står en liten materialprøve som blir undersøkt med scanneren.(Foto: Liebert Parreiras Nogueira)
Kunstige blodårer kan ikke ha blindveier
En av utfordringene med å lage tredimensjonale strukturer er at det ikke skal så mange lag med celler til før de trenger blod.
Blodet sørger for at cellene får oksygen og næringsstoffer, og tar med seg avfallsstoffer. Derfor er alle celler avhengige av at nærmeste blodåre ikke er for langt unna. Men en åre er ikke en åre.
– En utfordring med å lage slike årestrukturer er at du kan få noe som likner tuber, men de må gå et sted. Det må være et nettverk med gjennomstrømning hvor cellene som kommer inn på den ene siden, kommer ut på den andre. Det er en utfordring. Det kan ikke være en feil noe sted. Det kan ikke være en labyrint med blindveier, forklarer Haugen.
I tillegg til dette er størrelsen på årene svært viktig, forteller forskerne. Hvis blodet passerer for fort, vil det ikke kunne gi fra seg eller ta opp stoffer. Hvis det er for trangt, kan ikke blodcellene passere.
Derfor har matematikere som er eksperter på væskers bevegelse, vært svært viktige i arbeidet med å finne ut hvordan de skal etterlikne kroppen best mulig.
– De smaleste blodårene i kroppen er så små at blodcellene må presse seg forbi. Det er viktig at vi klarer å etterlikne dette. Når blodcellene presser seg gjennom en trang passasje, deformeres de. Dette øker hastigheten oksygen frigjøres med og påvirker hvor raskt de vil komme gjennom karene, sier Koch.
Celler trenger også bevegelse fra miljøet rundt for å trives.
– Cellene har kjemiske sensorer på overflaten som merker væskeflyt. Ingenting i kroppen står stille. Det er alltid bevegelse. Det er alltid væske som pumpes forbi og gir mekanisk stimuli på cellene, forklarer Haugen.
Haugen har tidligere testet dette på beinvev. Da fant han at det vokser bedre med væskeflyt i bestemte hastigheter i samme retning som veksten.
Annonse
De kunstige blodårene (H), og metoden for å innsprøyte blod (K). Blodet passerer gjennom de kunstige årene (L).(Utsnitt av figur i studien, lisens CC BY-4.0.)
Slik har forskerne fått til å lage 3D-strukturer med blodårer
For å lage de tredimensjonale strukturene bruker forskerne noe som kalles for hydrogelperler. Disse perlene er laget av vann og en polymer.
Gélé i barnebursdag er et eksempel på en hydrogel av vann, stivelse (en type polymer), sukker og fargestoffer.
Hydrogelperlene i forsøket er på størrelse med våre egne celler.
Når forskerne skal lage en struktur med blodårer, fyller de en liten beholder med hydrogelperler og væske. Når væsken tømmes ut, vil perlene trekkes mot hverandre. Når dette skjer, klemmes de sammen slik at de ikke lengre er runde. I stedet ser de litt ut som små sandsekker som former seg etter omgivelsene.
Når de har trukket seg sammen, etterlater de seg tomme baner i strukturen rundt. Disse tomme banene har forskerne sett kan fungere akkurat som blodårer i kroppen vår. Størrelsen på disse banene påvirkes av størrelsen på perlene, stivheten og overflatespenningen.
Slik har forskerne laget en tredimensjonal struktur med blodårer. Haugen forklarer at en av fordelene med hydrogelperler er at det er mulig å sprøyte inn ekte celler i perlene.
– Mange prøver å gjøre dette med 3D-printing, men det tar veldig lang tid og er ganske unøyaktig. Vår metode er rask og billig, sier Haugen.
Håvard Haugen og Liebert Parreiras Nogueira ved siden av scanneren.(Foto: Liebert Parreiras Nogueira)
Et stykke igjen til organtransplantasjon
Dessverre er strukturene langt unna å kunne brukes til å lage organer – foreløpig.
Å kunne lage strukturer med blodårer er et viktig steg på veien. Forskerne mener likevel det er for tidlig å si når og om det er mulig å lage kunstige organer. Derimot mener de at strukturene kan bli viktig i annen medisinsk forskning.
– På kort sikt så er det nok veldig bra for å lage mer komplekse organoider, sier professor i matematikk, Andreas Carlson.
Annonse
Organoider er miniorganer som blant annet brukes for å teste nye legemidler. Foreløpig er organoider ganske enkle, men med de nye 3D-strukturene mener Carlson de får flere bruksområder.
– Da kan du for eksempel teste hvordan medisiner påvirker de minste blodårene. For å teste dette må det skje i et naturlig miljø som har en passende reaksjon, sier han.
Ifølge Carlson er nikotin et eksempel på et stoff som har stor effekt på blodårene.
– Kroppen er en kompleks 3D-struktur, ikke 2D. Et av problemene i dag er at mye av forskningen er gjort på flate overflater med bare én celletype. Det er ikke slik kroppen er. Det er en av grunnene til at dette er så viktig. Hvis vi lager 3D-organoider, kan vi lage komplekst vev. Da kan vi analysere mer komplekse reaksjoner som skjer i kroppen, stemmer Haugen i.
– Slike organoidstudier kan erstatte mange dyreforsøk fordi du kan se flere ting på et mer oversiktlig nivå, med en mye høyere grad av kontroll, sier Koch.
Forskerne forteller at denne forskningen er vanskelig å gjøre innenfor én fagdisiplin. Derfor er dette et samarbeid mellom bioingeniørene i Twente, Håvard Haugens kompetanse på biomaterialer og Liebert Parreiras Nogueira som er ekspert på å karakterisere 3D-strukturer ved Odontologisk fakultet, og «soft matter physics» og fluiddynamikk med Andreas Carlson, samt beregninger og modellering ved Timo Koch, begge ved Matematisk institutt.
Haugen, Nogueira, Carlson og Koch er alle ansatte ved Universitetet i Oslo. Arbeidet er igangsatt og ledet av forskere ved Universitetet i Twente. En del av samarbeidet innebærer at UiO har tatt imot en doktorgradsstipendiat på utveksling fra dem.
