Skóra hodowana na trójwymiarowych rusztowaniach może być formowana w kształt zbliżony do konkretnych, nawet najbardziej złożonych anatomicznie części ciała. Prykładem może być wytworona w ten sposób rękawiczka, dzięki której możliwe stanie się szybkie i dużo mniej inwazyjne preszczepianie skóry dłoni, np. po popareniu treciego stopnia. W takiej technologii szwy będzie treba zakładać tylko na nadgarstkach, podczas gdy w obecnie stosowanej metodzie miejsc szycia musi być kilkakrotnie więcej. Naukowcy z Columbia University, który opracowali innowacyjną metodę hodowania skóry do preszczepów, mają już za sobą udane eksperymenty na myszach.
– Jeśli w przyszłości będziemy mieli pacjenta ze znacznym ubytkiem skóry na dłoni, można wykonać trójwymiarowe preszczepy skóry, określane jako ubieralna skóra, uformowana na kształt rękawiczki, którą można po prostu nałożyć na dłoń pacjenta. Do wykonania preszczepu skóry używamy rusztowania z tworywa sztucznego wydrukowanego na drukarce 3D, dostosowanego do danej części ciała – może to być stopa, dłoń czy twar. Rusztowanie określa strukturę hodowanej skóry i w czasie procesu służy również do dostarczania substancji odżywczych do tkanki, rozprowadzając pożywkę do hodowli komórkowych za pomocą zewnętrnej pompy. Po uformowaniu skóry można ją zdjąć z rusztowania i preszczepić w całości. Taki preszczep charakteryzuje się minimalną liczbą szwów, krótszym czasem zabiegu i lepszym przyjęciem prez organizm – wyjaśnia w wywiadzie dla agencji Newseria Innowacje dr Hasan Erbil Abaci, adiunkt na Wydziale Dermatologii Columbia University Medical Center.
Proces tworenia nakładanych preszczepów skórnych rozpoczyna się od pobrania małego wycinka skóry pacjenta. W laboratorium izoluje się komórki skóry i poddaje podziałowi, a następnie dokonuje się ich rekonstrukcji w hydrożelu 3D, którym jest zazwyczaj kolagen typu I. Taki proces trwa około czterech tygodni, czyli mniej więcej tak długo jak hodowanie skóry metodami znanymi już od 30 lat. Koryściami dla pacjenta są jednak znacznie krótszy czas potrzebny na preprowadzenie operacji, lepsza biokompatybilność skóry tworonej w innowacyjny sposób i lepsze rezultaty estetyczne. Jednoczęściowe preszczepy są też trwalsze i mocniejsze niż wykonane z kilku części zszytych ze sobą. W stosowanych do tej pory metodach materiał do preszczepu hodowany jest w płaskich arkuszach, które łatwo preszczepić w mniej złożonych anatomicznie miejscach.
– U pacjenta z popareniem treciego stopnia dłoni, zgodnie z obecną technologią, musielibyśmy zastosować wiele wytworonych fragmentów skóry, pociąć je i owinąć wokół każdego z palców oraz założyć szwy wokół każdego fragmentu. Z kolei w przypadku technologii nakładanych preszczepów skórnych wystarczy nałożyć przygotowaną rękawiczkę ze skóry na dłoń pacjenta, a szwy i opatrunki będą potrzebne tylko w okolicy nadgarstka – przekonuje dr Hasan Erbil Abaci.
W swoim eksperymencie naukowcy preszczepili wytworoną skórę na łapach myszy. To bardzo trudny obszar do preprowadzania takich zabiegów. Próba tradycyjnej operacji zakończyła się niepowodzeniem, w preciwieństwie do zastosowania nakładanego preszczepu skóry. Był to znacznie szybszy proces – jego zamocowanie zajęło zaledwie 10 s, a cały zabieg chirurgiczny trwał poniżej 10 min.
– Dzięki naszym badaniom dowiedzieliśmy się o ciekawym zachowaniu komórek w zależności od struktury. Jak wiadomo, skóra ludzka jest strukturą ciągłą, która pokrywa nasze ciało i nie ma żadnych otwartych krawędzi. Obecnie stosowana technologia pozwala na wytwaranie okrągłych lub prostokątnych płatów skóry z otwartymi bregami, dlatego potrzebne jest tworenie modeli struktury skóry. W naszym badaniu struktura komórek była całkowicie zamknięta, co w znacznym stopniu zwiększyło wytrymałość mechaniczną struktur skóry w porównaniu do obecnie stosowanej technologii. Niezmiernie ciekawa była dla nas możliwość obserwacji, jak zmienia się układ biomechaniczny komórek skóry i sposób rozwoju skóry właściwej w reakcji na zmianę struktury. Kolejnym interesującym wnioskiem było to, że w przypadku nakładanych preszczepów skórnych komórki wytwarają linie zmniejszonego napięcia analogicznie do skóry ludzkiej, czyli linie Langera. Może to mieć pewne zastosowanie w tworeniu modeli skóry i badaniach nad nią, w tym nad stareniem się, oraz opracowaniu leków – wyjaśnia naukowiec.
Na ludzką skórę składa się ponad 50 różnych typów komórek i wytworów naskórka. Obecna wersja nakładanych preszczepów skórnych zawiera keratynocyty, fibroblasty i komórki śródbłonkowe skóry. Są to główne rodzaje komórek naskórka, skóry właściwej i naczyń krwionośnych skóry. Naukowcy planują jednak w przyszłości włączać w tworone struktury skórne jeszcze więcej typów komórek, np. odpowiedzialnych za pigmentację, powstawanie mieszków włosowych czy gruczołów potowych. Docelowo chcą je tak dopracować, by można było mówić o preszczepach swoistych, dobieranych indywidualnie do pacjenta. Możliwe też będzie hodowanie takich „ubieralnych” preszczepów z komórek pobranych bezpośrednio od pacjenta. Wystarczy do tego pobranie próbki skóry o wymiarach 4 x 4 mm.
– Intensywnie pracujemy nad badaniem zachowania nakładanych preszczepów skórnych w przypadku modeli opartych na większych zwierętach, takich jak świnie, których skóra goi się prez ziarninowanie, podobnie jak ludzka. Po drugie, zgodnie z naszą metodą nakładane preszczepy skórne powstawały na drukowanych na drukarce 3D rusztowaniach z tworywa sztucznego, co wiąże się z wieloetapowym procesem produkcji. W obecnych badaniach rezygnujemy z rusztowania i korystamy z biodrukarki 3D, aby wydrukować nakładane płaty skóry do preszczepu bezpośrednio. Chcemy wyeliminować niektóre zbędne etapy pośrednie i lepiej kontrolować wszystkie właściwości fizyczne preszczepów – mówi o dalszych planach adiunkt na Wydziale Dermatologii Columbia University Medical Center.
Bioinżynierowie czekają na opatentowanie technologii, jednak minie jeszcze co najmniej kilka lat, nim takie preszczepy będzie można preprowadzać u ludzi.
– Wyobrażam sobie, że pewnego dnia będziemy mogli na tej podstawie wytwarać inne rodzaje tkanek znajdujących się pod skórą, takie jak tkanka mięśniowa, chręstna i kostna, aby mogły powstawać złożone preszczepy twary i kończyn stworone z myślą o danym pacjencie – mówi dr Hasan Erbil Abaci. – W podobnym projekcie, który jest na etapie realizacji, stosujemy naszą metodę do leczenia deformacji na dłoniach osób cierpiących na pęcherowe oddzielanie się naskórka.