Iliustruotasis mokslas: gyvybę gelbsti 3D spausdinti organai

Iš pažiūros sveikas mažylis, vardu Kaiba, sulaukęs šešių savaičių, privertė tėvus gerokai pasijaudinti. Šeimai pietaujant restorane, berniukas staiga nustojo kvėpuoti, stokodamas deguonies jo veidas pamėlo. Ligoninėje gydytojai nustatė, kad dėl neįprastai silpnos vieno iš bronchų (pagrindinio trachėjos atsišakojimo) kremzlės berniuko broncho sienelės neatlaikė spaudimo ir užsivėrė, todėl oras negalėjo patekti į plaučius.

Vaiko gydytojui Glennui Greenui iš Mičigano universiteto (JAV) teko pro ligonio bronchą įleisti vamzdelį, užtikrinantį pastovų oro tiekimą į plaučius. Tokia priemonė buvo tinkama tik laikinai. Gydytojas suvokė, kad norint išlaikyti bronchą atvirą reikės panaudoti specialią papildomą detalę. G. Greenas daugmaž įsivaizdavo, kaip tokia detalė turėtų atrodyti, tačiau nežinojo, kur ją gauti. Puiki idėja į galvą jam šovė pažvelgus į kabinete stovintį spausdintuvą.

Kūdikiui grąžintas gyvenimas

Įprastas rašalinis spausdintuvas yra idealus prietaisas bet kokio dydžio ar stiliaus raidėms ir jų kombinacijoms spausdinti, o ką jau kalbėti apie įvairiausių spalvų paveikslėlius. Palyginti su juo, 3D spausdintuvas yra dar pažangesnis, jis gali nukopijuoti kone kiekvieną objektą, vietoje rašalo liedamas plastiką. Pagrindinė pageidaujamo objekto struktūra spausdinama sluoksnis po sluoksnio, taip tiesiogine prasme auginant jį nuo paviršiaus aukštyn. Daugumos atsarginių detalių arba specialių įrenginių gamyba gali būti sudėtinga ir brangi, jeigu jas reikia išlieti, surinkti arba išpjauti. Mokslininkams, besinaudojantiems 3D spausdintuvu, tereikia nufotografuoti norimą objektą keliais skirtingais kampais, kompiuteriu sumodeliuoti 3D vaizdą ir galiausiai spustelti mygtuką „spausdinti“.

G. Greenas, nieko nelaukdamas, ėmėsi įgyvendinti šią idėją, pasitelkdamas kompiuterinę programą sukūrė detalės, galinčios grąžinti berniukui normalų gyvenimą, dizainą. Jo sugalvotas sprendimas buvo trumpas – šiek tiek platesnio nei bronchas skersmens vamzdelis su įpjovimu, leidžiančiu jį praskėsti ir įtvirtinti ant subliūškusios broncho dalies. Vamzdelyje, palaikančiame atvirą bronchą, turėjo būti pragręžta smulkių skylučių, kad vamzdelį būtų galima lengviau prisiūti prie silpnos broncho sienelės. Baigęs kurti detalės dizainą, gydytojas 3D spausdintuvą papildė biologiškai iriu plastiku ir netrukus rankose jau laikė trūkstamą detalę, visiškai parengtą transplantuoti mažajam Kaibai.

3D spausdintuvu sukurta detalė veikė, kaip tikėtasi. Po operacijos prabėgus septynioms dienoms, gydytojai ėmė pratinti berniuką kvėpuoti savarankiškai. Po trijų savaičių jie jau galėjo ištraukti vamzdelį, tiekusį orą tiesiai į ligonio plaučius ir taip palaikiusį jo gyvybę. Nuo to meto berniukas kvėpavo normaliai. Laikui bėgant, papildoma detalė laipsniškai irs, kremzlinė broncho sienelė atsinaujins ir po trejų metų sugebės funkcionuoti be pagalbinių priemonių.

Išgelbėti tūkstančius gyvybių

Kai kurie gydytojai pažengė dar toliau bandydami patobulinti 3D spausdintuvą taip, kad juo, be „negyvų“ papildomų detalių, būtų įmanoma spausdinti ir gyvas kopijas, galinčias atlikti tikro organo darbą. Tuo siekiama, kad ligoninėse pacientams nereikėtų ilgose eilėse laukti donorų organų. Europos Sąjungoje ir JAV laiku nesulaukę organų kasmet miršta apie 14 tūkstančių žmonių. Jeigu organų spausdinimas 3D pasiteisins, bus galima išgelbėti daugybę gyvybių.

Organai gali būti spausdinami įvairiais būdais, tačiau pagrindiniai yra du. Mokslininkai gali atspausdinti arba organo šabloną, arba patį organą. Pirmuoju būdu 3D spausdintuvas iš biologiškai irių medžiagų atspausdina organo šabloną, į kurį mokslininkai vėliau perkelia gyvas ląsteles. Šioms augant ir įsitvirtinant, šablonas laipsniškai ?ra, kol galiausiai lieka tik gyva organo kopija. Ši technika tinkamiausia organams, kuriuose vyrauja vienas ląstelių tipas, pavyzdžiui, nosiai ar ausims, sudarytoms daugiausia iš kremzlinio audinio ląstelių.

Keli mokslininkai panaudojo spausdintuvą gaminti vamzdelių formoms, turinčioms vidinį ir išorinį paviršius. Mokslininkai tikisi padengti juos skirtingo tipo ląstelėmis, kurios vėliau, formai suirus, susijungtų. Taip bent jau teoriškai būtų galima sukurti žarnyno audinius, kurių vidinę pusę sudaro gleivinės ląstelės, o kitą – raumenų ląstelės. Kol kas nei vienam mokslininkui to padaryti dar nepavyko.

Taikant antrą metodą, šablonas, ant kurio įsitvirtintų ląstelės, nereikalingas. Organas spausdinamas tiesiogiai, vietoje rašalo liejant gyvas ląsteles. 3D spausdintuvas gali būti pripildytas skirtingo tipo ląstelių taip pat, kaip ir paprastas spausdintuvas turi kelias skirtingų spalvų rašalo kasetes.

Viena iš kasečių dažniausiai pripildyta lipnaus gelio, palaikančio ryšį tarp ląstelių ir užpildančio tuščias erdves, pavyzdžiui, kraujagyslių ertmes. 3D spausdintuvas surikiuoja gelį ir skirtingo tipo ląsteles įmantriais raštais ir sluoksniais. Geliui laipsniškai nykstant lieka 3D organas.

Ši technika teikia daug vilčių, bet dar nėra visiškai ištobulinta. Iki šiol ji taikyta keliems organams, tokiems kaip oda arba kraujagyslės, gaminti.

Glazgo universiteto (Škotija) chemikas Leroy Croninas turi kitokių ambicingų 3D spausdintuvų išnaudojimo užmojų. Jis tikisi, kad šie prietaisai artimoje ateityje sukels revoliuciją pacientų aptarnavimo srityje. 2012 m. jis pademonstravo, kaip savo namuose galima atsispausdinti reikalingų vaistų, taigi farmacijos pramonė gali būti palikta užribyje.

Išrašęs receptą, gydytojas galėtų pacientui kartu įteikti kompiuterinę rinkmeną su vaisto formule ir jo sintezės iš paprastų cheminių medžiagų eigą. Rinkmenoje taip pat būtų nurodyta prietaiso, kurio reikia cheminėms reakcijoms atlikti, struktūra.

Sudėjus visus komponentus į asmeninį 3D spausdintuvą, pacientui reikėtų tik spustelti starto mygtuką ir stebėti, kaip susirenka jo „miniatiūrinė laboratorija“, sudaryta iš nedidelių talpyklių, pripildytų būtinų reagentų, ir kanalų, kuriais tie reagentai juda ir yra maišomi, iki patenkant į reakcijos kamerą.

Per kitą etapą spausdintuvo kasetėse esantis plastikas pakeičiamas paprastais cheminiais reagentais ir spausdintuvas paskirsto reikalingas medžiagas tinkamu laiku ir tinkamose vietose. Po kelių valandų pacientas jau pasiima atspausdintus gydytojo išrašytus vaistus. Ir visa tai – nė neiškėlus kojos iš namų.

L. Croninas viliasi, kad ši technologija pagerins žmonių, gyvenančių atokiau nuo vaistinių, gyvenimo kokybę. Metodas taip pat turėtų lemti vaistų kainų mažėjimą, nes vaistų gamintojai sutaupytų pinigų, kurie skiriami gamykloms statyti, taip pat vaistams pakuoti, platinti ir sandėliuoti.

Jeigu L. Cronino viltys pasiteisins, greitai galėsime pradėti tuštinti asmenines vaistinėles ir ruošti vietą 3D spausdintuvui. Vieną dieną, kai tik sugebėsime aptraukti žaizdą odos gabalėliu, atspausdintu iš mūsų pačių ląstelių, į šiukšlių dėžę iškeliaus ir pleistrų pakeliai.