BIOTECHNOLÓGIAI FEJLESZTÉSI POLITIKA, KUTATÁSI IRÁNYOK Mesterséges szervek előállítása háromdimenziós nyomtatási technológiával Tárgyszavak: szervnyomtatás; transzplantálás; szövettechnológia; vérellátás; érszövet.
A háromdimenziós nyomtatási–gyártási módszerek kiterjesztése a szövettechnológiára A szövettechnológia vagy a szövetek mérnöki tervezése és legyártása, a szervek „nyomtatása” igen újszerű kifejezések, amelyek egy évtizede is alig voltak ismertek, a sejtek összeolvadása és a szövetek kialakulása azonban a fejlődésbiológia jól ismert ágát alkotta. Kitűnő biológusok nemzedékei vizsgálták a sejt- és szövet-összeolvadási folyamatokat, a szövetek egymáshoz való affinitását, a sejtek tapadását, és nem utolsó sorban az embrionális szövetek fluiditását. Ezekre a felismerésekre épült a későbbi szövettechnológia. Ennek mintegy elismerése, hogy a modern szövettechnológiai kézikönyvek hosszasan foglalkoznak a fejlődésbiológiával. Egyesek az egész szövettechnológiát tulajdonképpen alkalmazott fejlődésbiológiának tekintik. A gyors prototípusgyártás rétegenkénti felépítési módszere olyan eljárásnak tűnik, amely forradalmasíthatja a szövettechnológiát is.
Utánozzuk a természetet, vagy ellenére dolgozzunk? Az a tény, hogy olyan bonyolult szerkezeteket is elő lehet állítani szintetikus polimer felhasználása nélkül, mint egy véredény, arra utal, hogy a szövettechnológia és az ezzel kapcsolatos mérnöki tudomány előrehaladása attól függ: milyen ügyesen tudjuk felhasználni és alkalmazni a fejlődésbiológia alapelveit. Bizonyosra lehet venni, hogy az elkövetkező generáció szövetmérnökei inkább a természet utánzására, mint legyőzésére fognak törekedni. Mind a szövettechnológusok, mind a fejlődésbiológusok sokat foglalkoznak a szövetek önszerveződésével, a sejten kívüli mátrixdeponálással és annak felhalmo-
zódásával, valamint az őssejtekkel. Remélhetőleg az ezzel kapcsolatos ismeretek összegződése további forradalmi fejlődéshez fog vezetni. A szövetek „nyomtatással” való előállítását egy másik tényező is motiválja: az orvosoknak és a betegeknek nincs idejük arra, hogy évekig várjanak, amíg egy szerv a differenciálódás hagyományos módján eléri végső mechanikai, morfológiai, biokémiai és funkcionális jellemzőit. A jelenleg elérhető technológiákkal még nem oldható meg szövetek vagy szervek gyors összeállítása. A folyamat felgyorsításához fel kell használni azt az ismeretet, hogy az embrionális szövetek viszkoelasztikus folyadékoknak tekinthetők, amelyeknek folyási tulajdonságai mérhetők, leírhatók, és a velük való műveletek ily módon tervezhetők. Kimutatták pl., hogy ha szárnyas embriók fejlődő szívtömlőit gyűrűkké darabolták, majd azokat egy tartó csőre „felfűzték”, akkor azok egyetlen éjszaka leforgása alatt összeállnak egy ép szervvé (1. ábra). Nem tudjuk, hogy pontosan mi történik az összeolvadás során, de a jelenség megléte és sebessége mindenképpen inspirálóan hat a szövetmérnökökre. A lehetséges mechanizmusok között meg lehet említeni az extracelluláris mátrix újraképződését, a sejtmigrációt, a sejtek közötti kapcsolatok helyreállását vagy ezek bármilyen kombinációját. Ez a megfigyelés mindenesetre alapot szolgáltat arra, hogy megpróbálják a gyors prototípusgyártás technológiáját kiterjeszteni az élő szövetekre.
A gyűrűket 15–16 órás csirkeembrió szívkamrájából vágták ki, és csak miokardiumot, endokardiumot és némi köztes mátrixot tartalmaznak. Az izolált gyűrűk még napokig összehúzódást mutatnak. A szervnyomtatási technológia alapelvének sematikus ábrázolása: a sejtaggregátumok rétegenkénti deponálása egy megszilárduló, termoreverzibilis gélbe, amit a sejtaggregátumok összeolvadása (fúziója) követ, és végül egy 3D cső jön létre
1. ábra Embrionális miokardiális szövetgyűrűk fúziója.
Tételezzük fel, hogy sejtaggregátumokat helyezünk el egy 3D mintázatnak megfelelően, azok egy lemezzé vagy egyéb alakzattá állnak össze. Erre az alapelvre – ha működik – ráépülhet a nyomtatási technológiával végzett szervelőállítás. A szövetfúzióra nemrég azt a magyarázatot vetették fel, hogy az embrionális szövetek viszkoelasztikus folyadékként viselkednek, amelyek
folyásra és összeolvadásra is képesek. A „szervnyomtatás” fejlesztése során olyan mikrofluidikai berendezéseket próbálnak kialakítani, amelyek sejteket és sejtaggregátumokat juttatnak megfelelő helyre, és ezekből összeolvadás után bonyolult szervstruktúrák alakulhatnak ki. Érdekes módon egy Henry von Peters Wilson nevű tengerbiológus már 1907-ben leírta a feldarabolt szivacsállatok összeolvadását, mégis majdnem egy évszázadnak kellett eltelnie, hogy ezek a megfigyelések műszakilag is hasznosuljanak.
Mit jelent a „szervnyomtatás”? A szövetnyomtatás tulajdonképpen a gyors prototípuskészítési technológia orvos-biológiai alkalmazása, amelynek alapja a szövetek fluiditása. Ha egymás után számítógéppel vezérelt módszerekkel rétegesen természetes anyagokat (sejteket és mátrixot) helyezünk el, abból háromdimenziós (3D) szerkezet alakul ki. Az utóbbi időben végzett kísérletek, amelyekben szintetikus merevítőelemekbe megpróbáltak élő szövetet ültetni, nem jártak sok sikerrel. Ezért inkább a természetet kell utánozni, és a természetes fúziós folyamatokat kell kihasználni. Az előkísérletekben pl. sikerült borjúaorta endoteliális sejteket 50 µm-es cseppek formájában, adott geometria szerint, egy Matrigelalapra elhelyezni, ahol azok 72 óra után is megtartották helyüket. További példák láthatók a 2. és 3. ábrákon. A szövetnyomtatási technológia gyűjtőnév, amely különféle sugaras nyomtatási módszereket foglal magába sejtek és hidrogélek 3D elrendezésére. Maga a nyomtatási folyamat három fázisra osztható: az előkészítésre, a feldolgozásra és az utófeldolgozásra. Az előkészítés lényege, hogy egy adott szervet vagy szervrészletet CAD-módszerekkel megterveznek. Ehhez jó alapul szolgál az adott szerv vagy szövet metszeteinek a képe. Ezek az adatok aktuális szeleteléssel vagy nem invazív módszerekkel (pl. MRI tomográfiával) is begyűjthetők. Bizonyos funkciójú szerveket pusztán elméleti alapon, bizonyos általános térkitöltési elvek és más törvényszerűségek felhasználásával is megtervezhetünk. A feldolgozás során rekonstruáljuk az előkészítés során felépített 3D struktúrát, az utófeldolgozás során pedig sor kerül a fúzióra, ami a kondicionálás mellett az érési folyamat gyorsítását és irányítását is jelenti.
Megvalósítható a szervnyomtatás? Ahhoz, hogy erre választ adhassunk, a komplex feladatot egyszerű, ellenőrizhető prototípusok gyártására kell lebontani, vagyis egy sor, döntő jelentőségű előkísérletet kell végrehajtani. A legfontosabb feladatok a következők: – sejtek vagy sejtaggregátumok nyomtatására alkalmas nyomtatók kifejlesztése,
– egy termoreverzibilis gél vagy mátrix segítségével demonstrálni kell, hogy a 3D struktúrák rétegenkénti deponálása és utólagos megszilárdítása lehetséges, – ugyancsak demonstrálni kell, hogy a gélen belül lehetőség van szorosan elhelyezett sejtaggregátumok gyűrű- vagy csőszerű szerkezetekké való összeolvadására. Ha mindez sikerül, kezünkben vannak a szervnyomtatási technológia alapelemei. Eddig már sikerült kidolgozni egy „nyomtatót”, amely képes sejtek, sejtcsoportok és támasztékul szolgáló biodegradálható, termoreverzibilis gélből egy számítógépben tárolt templátnak megfelelő struktúrákat létrehozni. A termoreverzibilis gélt rétegenként lehet deponálni olyan vastagságban, ami megfelel a sejtaggregátumok átmérőjének. A matematikai előrejelzésekkel (2. ábra) összhangban bebizonyították, hogy a szorosan illeszkedő sejtaggregátumok és az embrionális szív-mesenchyma (támasztószövet) fragmentumok összeolvaszthatók gyűrű- és csőszerű szerkezetekké a 3D gélben. Ezek az előkísérletek mindenesetre bíztatóak az egész projekt megvalósíthatósága szempontjából.
2. ábra A sejtaggregátumok összeolvadásának modellje gyűrű alakú szerkezetté
Miért a csövek „nyomtatásával” kell kezdeni a munkát? A dán Nobel-díjas tudós, August Krogh kimutatta, hogy az egyes szervek oxigénellátása és működése szempontjából az erek sűrűsége döntő fontosságú. Ezt az elképzelést később továbbfejlesztették és kimutatták, hogy mind a normális, mind a rákszövetek szempontjából a növekedés és az érsűrűség szorosan összefügg. Ha nincsenek vérerek, a szövettechnológiával előállított szervek vagy szövetek hamar elhalnak. Ezért a vérerek „beépítése” a szövetmérnöki technológia kulcsproblémája. Erre eddig két megközelítés létezett: az egyik szerint megpróbálnak növekedési faktorokat bejuttatni a szövettechnológiával létrehozott szervekbe, a másiknál az implantátumot eleve beoltják
endoteliális sejtekkel. Egyik sem lehet azonban túl sikeres az érszövet lassú újraképződése és az érrendszer bonyolult, rendkívül erősen elágazó szerkezete miatt, amelyre a szerv életben maradása miatt szükség van. A szerv vérellátása a jellegzetes fa alakú, elágazott vérérrendszer nélkül nem lehetséges. A szervnyomtatási technológia egyedülálló lehetőséget kínál arra, hogy a szerv rétegenkénti felépítése közben kialakítsanak egy komplex, elágazó véredényrendszert is. Az ilyen szervek már rögtön az elkészülésük után átjárhatók lennének a vér számára (3. ábra). A „nyomtatott” ér a gél fizikai szerkezetének megváltoztatásával megnyitható és átmosható lenne. Ezért érthető, hogy a csövek (erek) kialakítása az egész projekt megvalósíthatóságának kulcskérdése.
A nyomtatáshoz endoteliális és simaizomsejt-aggregátumokat használnak. Nyomtatás és fúzió után a nyílásból eltávolítják a gélt és a nagy ereket egy bioreaktor folyadékával átitatják
3. ábra Egy 3D érrendszer nyomtatási, összeállítási és átitatási lépései
Lehetőségek és kihívások A „szervnyomtatás”, a biológiai szövetek rétegenkénti összeállítása megvalósíthatónak tűnik, és valószínű, hogy a szövettechnológia vezető módszerévé válik. A módszer alapelve a sejtek szövetekké való önszerveződése, amely hasonló módon történik, mint az embrionális szöveteknek a fejlődésbiológia törvényei szerinti differenciálódása. A nyilvánvaló szerv-transzplantáció mellett gondolni kell arra is, hogy az így kialakított mesterséges szervek jó
szolgálatot tehetnének a gyógyszerfejlesztésben vagy az élettani kutatásban is. Meg lehet kockáztatni, hogy a 21. század orvos-biológiájában a szövetnyomtatást ugyanolyan gyakran fogják használni, mint az elektronmikroszkópiát a 20. században. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes.) Mironov, V.; Boland, T. stb.: = Organ printing: computer-aided jet-based 3D tissue engineering. = Trends in Biotechnology, 21. k. 4. sz. 2003. p. 157–161. Zein, I.: Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for issue engineering application. = Biomaterials, 23. k. 12. sz. 2002. p. 1169–1185. Jeong, B.; Gutowska, A.: Lessons from nature: stimuli responzive polymers and their biomedical applications. = Trends in Biotechnology, 20. k. 7. sz. 2002. p. 305–311.
Röviden… Svájci biotechnikai tevékenység – a felsőoktatás szintjén is A svájci szakfőiskolák oktatási feladatuk mellett alkalmazott kutatással és fejlesztéssel, az ipari szférának ismeretek és technológiák átadásával, valamint szolgáltatással is foglalkoznak. Ennek jegyében a biotechnikában is érintett svájci főiskolák 1999-ben saját fő szakirányukat rögzítve megállapodtak a kis és közepes vállalatokat segítő műszaki-tudományos transzferre irányuló optimális együttműködésben. Ezt követte 2001-ben az időközben megalakult Swiss BioteCHnet-nek a Szövetségi Népgazdasági Minisztérium (EVD) általi hivatalos elismerése. Országos szakhálózatok A BioteCHnet mintájára azóta hét, mára szintén bejegyzett országos szakhálózat alakult, köztük – a Microswiss Network a mikroelektronika és a mikrorendszerek, – az Ecademy mint az E-üzlet és az E-kormányzat, valamint – a „brenet” mint a megújuló energiákon alapuló épülettechnika „kompetenciahálózata” (Kompetenznetz). A hálózatok státusát a Műszaki és Innovációs Bizottság (Kommission für Technologie und Innovation, KTI) folyamatosan ellenőrzi, jóváhagyott hálózati projektumaikat financiálisan támogatja. A Swiss BioteCHnet jelenleg kilenc ilyen projektumon dolgozik sikeresen.
Strukturált piaci tevékenység A hálózati projektumok – az ipar, kutatóintézetek, más felsőoktatási intézmények és kórházak együttműködésében – három területet érintenek, ezek – a bioanalitika, – biomolekulák előállítása és – szövet-engineering (tenyésztés, át- és beültetés). Az elért kutatási–fejlesztési eredményeket, a felvevő piacot mintegy felosztva – a biogyógyászat, – élelmiszer-biotechnológia, – a környezet-biotechnika tevékenységi területein kínálja fel. Ezzel kapcsolatban a Swiss BioteCHnet 2001 nyarán 45 biotechnikai érdekeltségű svájci vállalatnak küldött el kérdőívet. A válaszokból kiderült, hogy a hálózati projektumok témaválasztásban, azaz minőségileg lefedik a piaci keresletet, továbbá, hogy ez a keresleti piac méretében igen jelentős. A projektumokon, a főiskolai műszaki és tanszemélyzet irányítása alatt hallgatók is dolgozhatnak, és így szerzett ismereteiket felhasználhatják félévzáró munkáikban. 2002-ben, a részt vevő főiskolák személyi erőforrásainak 25%-át használták fel az összesen 6 M CHF értéket képviselő projektumok. Ugyancsak a Swiss BioteCHnet keretében fejlesztettek ki a hallgatók számára egy interaktív internet szoftvert mint taneszközt, amely beépül majd egy továbbképző kurzusba is. Ez voltaképpen kutatási programok és oktatási jegyzetek reális adatain nyugvó szimulációs példák gyűjteménye. Témái: folyamatoptimálás és szoftverérzékelők. A Swiss BioteCHnet tevékenységét ismertető és propagáló marketing munkát is végez, írásban (Bioworld-mellékletek) és nagy világvásárokon svájci biotechnikai cégekkel közös részvétel és „stand” formájában („Biotechnika”, Hannover, 2001, „Bio 2002”, Toronto). A Swiss BioteCHnet-hez kutatócsoportok is csatlakozhatnak társult tagként, hogy bevigyék témáikat, felhasználva a hálózat kompetenciáit és kapcsolatait. Pl. a Zürichi Sebészeti Klinika kutatórészlegének csatlakozása kapcsolatot teremt a szív- és érsebészet és -kutatás szövet- és sejttranszplantációs profilja között. (CHIMIA, 56. k. 12. sz. 2002. p. 724–726.)
Nagy kazeintartalmú tej genetikailag módosított új-zélandi tehenektől Az új-zélandi Hamiltonban működő Ruakura Kutatóközpontban két tejfehérje – a béta- és a kappa-kazein – génjeinek több tucat másolatát juttatták be tehenek magzati sejtjeibe, majd a sejteket klónozták. 126 beültetett embrióból 11 borjú, majd tehén fejlődött ki, közülük kilencnek a teje a normálisnak kétszeresét tartalmazza kappa-kazeinből és kb. egyötöddel több benne a bétakazein, mint a közönséges tejben. Az üzemszerű termeléshez természetesen hosszú évekre, a kazeinban dús tejet termelő tehenekből először a kellő számú egyed előállítására van szükség. Az intézet vezetői szerint azonban minden a tej fogadtatásától függ: ismeretes, hogy a Monsanto genetikailag módosított növekedési hormonjával kezelt tehenek teje ki van tiltva Európából és Kanadából. Ugyanakkor csekély lakossági ellenzés mellett forgalomban van az ugyancsak Monsanto-féle transzgénikus oltóanyaggal készült sajt. A háziállatoknál nem áll fenn a transzgének vad populációban való szóródásának veszélye, és mivel a transzgénikus tehén teje csupán többet tartalmaz a tej természetes komponenseiből, allergiás reakcióktól sem kell tartani. Az európai jogszabályozás előírja a genetikailag módosított növényi termékek áruházi megjelölését, az USA-ban és Ausztráliában ez nem kötelező és feltehetőleg ugyanezek a különböző törvények lesznek érvényesek a hasonló állati termékekre. Az Egyesült Királyságban működő Genewatch („génőrség”) csoport az állatok egészségi állapotát féltve, tiltakozik a program ellen arra hivatkozva, hogy az új-zélandi klónozott borjak fele nem érte meg az elválasztást sem. (New Scientist, 177. k. 2380. sz. 2003. febr. 1. p. 6.)
EGYÉB IRODALOM Haliloglu, K.; Baenziger, S.: Agrobacterium tumefaciens-mediated wheat transformation. (A búza Agrobacterium tumefacies-közvetített átalakítása.) = Cereal Research Communications, 31. k. 1–2. sz. 2003. p. 9–16. Park, D. H.; Zeikus, J. G.: Improved fuel cell and electrode design for production electricity from microbial degradation. (Javított üzemanyagcella és elektród tervezése elektromosság termelésére mikrobiális lebontásból.) = Biotechnology and Bioengineering, 81. k. 3. sz. 2003. febr. 3. p. 348–355. Növényvédelem az EU-tagság küszöbén. = Magyar Mezőgazdaság, 58. k. 6. sz. 2003. febr. 5. p. 10.
