Det finns mer än 100 000 personer på organväntelistor i USA, varav vissa kommer att vänta i flera år på att få ett organ – och vissa kanske inte överlever väntan. Även om det finns en bra matchning finns det en risk att patientens kropp stöter bort organet. För att förkorta väntetiderna och minska risken för avstötning utvecklar forskare inom regenerativ medicin metoder för att använda patientens egna celler för att tillverka skräddarsydda hjärtan, njurar, levern och andra organ på beställning.
Att säkerställa att syre och näringsämnen når alla delar av ett nyodlat organ är en ständig utmaning. Forskare vid Stanford har skapat nya verktyg för att designa och 3D-printa de otroligt komplexa kärlstrukturer som behövs för att transportera blod genom ett organ. Deras plattform, som publicerades den 12 juni i Science, genererar design som liknar det vi faktiskt ser i människokroppen betydligt snabbare än tidigare försök och kan översätta dessa design till instruktioner för en 3D-skrivare.
”Möjligheten att skala upp bioprintade vävnader är för närvarande begränsad av förmågan att generera kärlsystem för dem – man kan inte skala upp dessa vävnader utan att tillhandahålla en blodförsörjning”, säger Alison Marsden, Douglas M. och Nola Leishman-professor i hjärt-kärlsjukdomar, professor i pediatrik och bioingenjörsvetenskap vid Stanfords ingenjörs- och medicinska fakulteter och medförfattare till artikeln. ”Vi kunde få algoritmen för att generera kärlsystemet att köra ungefär 200 gånger snabbare än tidigare metoder, och vi kan generera det för komplexa former, som organ.”
Kärlsystem i organstorlek
När blod pumpas till ett organ i kroppen rör det sig från en stor artär till mindre och mindre förgrenade blodkärl, där det kan utbyta gaser och näringsämnen med de omgivande vävnaderna. I de flesta vävnader måste cellerna befinna sig inom en hårstrås bredd från ett blodkärl för att överleva, men i metaboliskt krävande vävnader som hjärtat är avståndet ännu mindre – det kan finnas mer än 2 500 kapillärer i en kub på en millimeter. Alla dessa små blodkärl förenas så småningom igen innan de lämnar organet.
Dessa kärlnätverk är inte standardiserade; organ har många olika former, och det finns stora variationer även mellan två hjärtan av samma storlek. Hittills har det varit svårt och otroligt tidskrävande att skapa en realistisk modell av ett kärlnätverk som passar ett unikt och komplext organ. Många forskare har istället förlitat sig på standardiserade gitterstrukturer, som fungerar bra i små konstruerade vävnadsmodeller men inte går att skala upp.
Marsden och hennes kollegor har byggt en algoritm för att skapa vaskulära träd som nära efterliknar blodkärlens arkitektur i naturliga organ, och har gjort programvaran tillgänglig för alla via sitt SimVascular-projekt med öppen källkod. De har införlivat fluidmekaniska simuleringar för att säkerställa att kärlsystemet fördelar blodet jämnt och för att framgångsrikt förkorta den tid som behövs för att skapa nätverket, samtidigt som kollisioner mellan blodkärl undviks och en sluten slinga med en enda ingång och utgång skapas.
”Det tog ungefär fem timmar att skapa en datormodell av ett träd för att vaskularisera ett mänskligt hjärta. Vi lyckades uppnå en densitet där varje cell i modellen befann sig cirka 100 till 150 mikrometer från närmaste blodkärl, vilket är ganska bra”, säger Zachary Sexton, postdoktor i Marsdens laboratorium och medförfattare till artikeln. Konstruktionen innehöll en miljon blodkärl. ”Den uppgiften hade aldrig utförts tidigare och skulle troligen ha tagit månader med tidigare algoritmer.”
Även om 3D-skrivare ännu inte klarar av att skriva ut ett så finfördelat och tätt nätverk, kunde forskarna konstruera och skriva ut en kärlmodell med 500 förgreningar. De testade också en enklare version för att säkerställa att den kunde hålla cellerna vid liv.
Med hjälp av en 3D-bioprinter – som skriver ut med levande celler istället för harts eller metall – skapade forskarna en tjock ring fylld med mänskliga embryonala njurceller och byggde ett nätverk av 25 kärl som löpte genom den. De pumpade en vätska fylld med syre och näringsämnen genom nätverket och lyckades hålla ett stort antal celler i närheten av det vaskulära nätverket vid liv.
”Vi visar att dessa kärl kan designas, skrivas ut och hålla celler vid liv”, säger Mark Skylar-Scott, biträdande professor i bioteknik och medförfattare till artikeln. ”Vi vet att det finns arbete att göra för att påskynda utskriften, men vi har nu denna pipeline för att generera olika vaskulära träd mycket effektivt och skapa en uppsättning instruktioner för att skriva ut dem.”
Ett bioutskrivet hjärta
Forskarna är snabba att påpeka att dessa kärlnätverk ännu inte är funktionella blodkärl – de är kanaler som skrivits ut genom en 3D-matris, men de har inga muskelceller, endotelceller, fibroblaster eller något annat som de skulle behöva för att fungera på egen hand.
”Detta är det första steget mot att skapa riktigt komplexa vaskulära nätverk”, säger Dominic Rütsche, postdoktor i Skylar-Scotts laboratorium och medförfattare till artikeln. ”Vi kan skriva ut dem med en komplexitet som aldrig tidigare skådats, men de är ännu inte helt fysiologiska kärl. Vi arbetar på det.”
Att omvandla dessa konstruktioner till fungerande blodkärl är bara en av många aspekter av bioprinting av ett fungerande mänskligt hjärta som Skylar-Scott och hans kollegor arbetar med. De undersöker också hur man kan stimulera de allra minsta blodkärlen – de som är för små eller ligger för tätt för att kunna skrivas ut – att växa på egen hand, förbättra 3D-bioprinters kapacitet för att göra dem snabbare och mer precisa, och odla de enorma mängder celler som behövs för att skriva ut ett helt hjärta.
”Detta är ett avgörande steg i processen”, säger Skylar-Scott. ”Vi har lyckats generera tillräckligt med hjärtceller från mänskliga stamceller för att skriva ut ett helt mänskligt hjärta, och nu kan vi utforma ett bra, komplext kärlsystem som håller dem livande och ger dem näring. Vi arbetar nu aktivt med att sätta ihop de två delarna: celler och kärlsystem, i organstorlek.”
Mer information: Zachary A. Sexton et al, Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adj6152. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152
