Serce to zadziwiający narząd. Choć ma wielkość pięści i waży kilkaset gramów, potrafi pracować wiele dziesięcioleci, a całą potrzebną do tego energię czerpie z krwi, którą przepompowuje. Ewolucja nie przewidziała jednak, że ludzie będą żyć tak długo – i tak niezdrowo – jak obecnie. Na niewydolność serca w samej tylko Polsce cierpi 700–800 tys. osób, a choroba ta może doprowadzić do całkowitego wyniszczenia organu. Wtedy konieczny jest przeszczep.

Niestety, dawców narządów wciąż jest niewielu. Dlatego naukowcy i inżynierowie z całego świata szukają czegoś, co mogłoby zastąpić serce – jeśli nie na całe życie, to przynajmniej na tyle długo, by chorzy mogli doczekać przeszczepu.

Serce wydrukowane na drukarce 3D z żywych komórek

Najlepiej byłoby wyhodować nowe serce dla pacjenta z jego własnych komórek – ryzyko odrzucenia przeszczepu byłoby bardzo małe. Niestety, jest to pomysł bardzo trudny do zrealizowania. Badacze przez wiele lat nie umieli stworzyć wytrzymałego, syntetycznego rusztowania, na którym można byłoby umieścić komórki, tak by mogły stworzyć cały narząd.

Ten problem może rozwiązać technologia druku 3D. – Mamy dziś do dyspozycji biodrukarki, biomateriały zawierające komórki i bioreaktory, w których wydrukowany organ dojrzewa – wyjaśnia Rafał Tomasiak, prezes firmy Zortrax specjalizującej się w druku 3D.

Efekty stosowania takich rozwiązań są coraz bardziej imponujące. Na początku 2019 r. naukowcy z Uniwersytetu w Tel Awiwie ogłosili, że udało się im wydrukować pierwsze ludzkie serce z komórek pacjenta. Pobrali je z tkanki tłuszczowej zawartej w otrzewnej – cienkiej błonie powlekającej od wewnątrz jamę brzuszną i znajdujące się w niej narządy.

Potem przeprogramowali je tak, by zmieniły się w indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), zdolne do wytworzenia dowolnej tkanki, a następnie w komórki mięśnia sercowego i śródbłonka (tkanki wyściełającej od wewnątrz naczynia krwionośne).

Równolegle uczeni drukowali na drukarce 3D „szkielet” serca z naturalnych składników – białka zwanego kolagenem i glikoprotein. Potem nanieśli na niego komórki, otrzymując w ten sposób kompletny narząd z przedsionkami, komorami i naczyniami krwionośnymi. Wydrukowane serce potrafiło nawet się kurczyć, choć brakowało mu układu bodźcoprzewodzącego, czyli naturalnego „rozrusznika” – nie mogło więc samodzielnie bić ani pompować krwi.

– Możliwe, że za dziesięć lat biodrukarki będą stały w najlepszych szpitalach, a drukowanie narządów do przeszczepu stanie się rutynowym zabiegiem – przewiduje kierujący badaniami prof. Tal Dvir.  

Komórki w wydrukowanym sercu szybko obumierają

Jednak narząd uzyskany przez izraelską ekipę ma kilka wad. Największą z nich są rozmiary – serce pasowałoby do ciała królika, ale nie człowieka. Wydrukowanie czegoś większego jest ogromnie trudne.

Pierwszy problem polega na tym, że serce to skomplikowany narząd złożony z różnych tkanek: mięśni, nabłonka, nerwów itd. – Tu pomóc mogą nowe modele biodrukarek, pracujące z wieloma materiałami jednocześnie. Mają one więcej niż dwie dysze, z których nakładane są różne rodzaje biotuszu – mówi Rafał Tomasiak.

Jednak część komórek obumiera podczas samego już procesu nakładania ich na rusztowanie. Zależnie od zastosowanej technologii druku odsetek ten waha się od 5 do ponad 60 proc. A to oznacza, że czasami część narządu jest uszkodzona już w momencie powstawania.

Największą przeszkodą jest jednak to, że przy tworzeniu dużych narządów trzeba nieustannie utrzymywać przy życiu komórki już znajdujące się na rusztowaniu, dostarczając im tlenu i glukozy. Niestety, obecnie wygląda to tak, że zanim skończymy drukowanie serca, obumierają te jego części, od których zaczęliśmy pracę.

W naturalnych warunkach serce zaczyna bić w czwartym tygodniu życia zarodka, kiedy jest jeszcze malutką grudką tkanek, a następnie stopniowo rośnie wraz z organizmem. Tymczasem uczeni próbują od razu stworzyć ten bardzo wrażliwy na niedotlenienie organ dla dorosłego człowieka.

Ksenotransplantacja – czy możemy przeszczepić człowiekowi serce świni?

Być może więc lepszym sposobem będzie naśladowanie natury i wyhodowanie serca od podstaw. Taka idea stoi za próbami przeszczepienia narządów od zwierząt, czyli tzw. ksenograftami albo ksenotransplantacjami. Na zastępcę ludzkiego serca najlepiej nadają się organy pobrane od gatunków mających podobną budowę i wielkość ciała, co my.

Trzeba jednak zmodyfikować narząd tak, aby nie został odrzucony przez układ odpornościowy biorcy. Ryzyko dla pacjenta stanowią także wirusy znajdujące się w tkankach zwierzęcia. Pierwsze eksperymenty w tej dziedzinie zakończyły się niepowodzeniem. Zaledwie trzy tygodnie żyła dziewczynka, której w 14. dniu życia przeszczepiono serce szympansa w 1984 r. Noworodek zmarł wskutek odrzucenia przeszczepu. Wykonano potem jeszcze trzy takie próby – z równie fatalnymi rezultatami.

Przez wiele lat postęp w tej dziedzinie był niewielki. Gdy jednak uczeni dostali do ręki nowe narzędzie do zmieniania DNA – technologię znaną pod nazwą CRISPR/Cas9 – okazało się, że mogą zmodyfikować zwierzęce tkanki tak, by przypominały ludzkie, a przy okazji wyeliminować z nich wirusy. Naukowcy z Harvardu zmienili w ten sposób organizmy prosiąt (serca świń są bardzo podobne do ludzkich i w przyszłości mogły być źródłem ksenograftów).

Z kolei uczeni niemieccy wszczepili pawianom świńskie narządy, które dobrze funkcjonowały nawet przez pół roku po operacji. We wcześniejszych eksperymentach były to najwyżej dwa miesiące.

Sir Terence English, brytyjski pionier transplantacji serca, jest przekonany, że przeszczepy od świń do ludzi będą możliwe w niedalekiej przyszłości. – Zaczniemy od ksenotransplantacji świńskich nerek, a jeśli wyniki u ludzi będą zadowalające, to z sercami uda się kilka lat później – przewiduje uczony.

Nad technologią ksenograftów pracuje m.in. start-up eGenesis, założony przez znanego genetyka, prof. George’a Churcha z Harvardu. Na razie jednak nie publikuje żadnych danych na temat swojej technologii.

Nie tak łatwo zrobić pompę zastępującą serce

Nawet najbardziej udane eksperymenty na zwierzętach wymagały podawania im dużych dawek leków immunosupresyjnych, powstrzymujących organizm przed odrzuceniem przeszczepu od innego gatunku. Takie leki wywołują liczne skutki uboczne. Poza tym ksenografty budzą wątpliwości etyczne, związane z dobrostanem zwierząt i religią (wiele odłamów islamu nie pozwala na stosowanie u człowieka świńskich tkanek, nawet takich jak zastawki serca). Dlatego równolegle trwają też prace nad skonstruowaniem całkowicie sztucznego serca.

Ideałem byłby mechanizm, który można by wszczepić do klatki piersiowej tak, by całkowicie przejął obowiązki niewydolnego narządu. Niestety, nawet najlepszym obecnie dostępnym technologiom daleko do tego. SynCardia TAH, wszczepione ponad 1250 chorym, wymaga stosowania sporego zewnętrznego „zasilacza” ukrytego w plecaku.

Z kolei AbioCor, choć jest całkowicie schowane w klatce piersiowej pacjenta – nie wystają z niej żadne rurki czy przewody – wymaga od pacjenta noszenia przy sobie sporej baterii, wystarczającej na maksimum cztery godziny. Poza tym sam narząd jest tak duży, że nie mogły z niego skorzystać osoby o mniejszych rozmiarach ciała. Urządzenie, które nie jest już dostępne, wszczepiono zaledwie 15 pacjentom.

Naukowcy próbują odejść od dotychczasowych, nieporęcznych technologii, szukając nowych możliwości. Zespół z Politechniki w Zurychu stworzył sztuczne serce w całości zbudowane z silikonu. To pierwszy narząd tego typu, który jest elastyczny – tak jak prawdziwe serce.

– Chodziło nam o stworzenie czegoś, co wymiarami, strukturą i działaniem jak najbardziej przypomina biologiczne serce. Posłużyliśmy się techniką druku 3D – wyjaśnia kierujący badaniami dr Nicholas Cohrs. Niestety, silikonowy narząd szybko się zużywa – przestaje działać po zaledwie 3 tys. uderzeń, czyli po niecałej godzinie. Uczeni szukają teraz sposobu na przedłużenie jego trwałości.

Ekipa z Oregon Health and Science University postawiła z kolei na maksymalne uproszczenie konstrukcji. Zamiast odtwarzać przedsionki, zastawki i komory serca, zastąpiła je tubą z tytanu, zawierającą jeden ruchomy tłok. To wystarcza, by pompować krew do płuc i do całego organizmu. Docelowo urządzenie ma być zasilane niewielką baterią, którą będzie można wszczepić pod skórę pacjenta. Na razie zostało z sukcesem przetestowane na zwierzętach.

– Serce wykonuje aż 14 mln uderzeń rocznie. Dlatego konstrukcja sztucznego narządu musi być prosta i odporna na zakłócenia – wyjaśnia prof. Sanjiv Kaul, szef zespołu badawczego. Docelowo przecież sztuczne serce ma wystarczyć pacjentowi nawet na kilkadziesiąt lat.