Επιστήμονες εκτύπωσαν τρισδιάστατα βιοϋλικό μέσα στο σώμα με τη χρήση υπερήχων

Η ιατρική τεχνολογία προχωρά με ταχείς ρυθμούς, φέρνοντας πιο κοντά φουτουριστικά σενάρια που μέχρι πρότινος φάνταζαν επιστημονική φαντασία. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες εξελίξεις είναι η δυνατότητα 3D εκτύπωσης βιοϋλικών απευθείας μέσα στο ανθρώπινο σώμα, με απόλυτη ακρίβεια και ασφάλεια. Χρησιμοποιώντας υπερήχους αντί για φως, επιστήμονες στις ΗΠΑ κατάφεραν για πρώτη φορά να εκτυπώσουν βιοπολυμερή βαθιά μέσα σε ζωντανό ιστό, ανοίγοντας τον δρόμο για θεραπείες

Η μέθοδος, γνωστή ως deep tissue in vivo sound printing (DISP), περιλαμβάνει την έγχυση μιας εξειδικευμένης βιομελάνης. Τα συστατικά μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τη χρήση τους στο σώμα, ωστόσο τα απαραίτητα στοιχεία είναι οι αλυσίδες πολυμερών και οι ειδικοί παράγοντες διασύνδεσης, οι οποίοι τα μετατρέπουν σε υδρογέλη. Πειράματα σε ποντίκια και κουνέλια έδειξαν ότι η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να επιτρέψει την άμεση χορήγηση αντικαρκινικών φαρμάκων σε όργανα ή την αποκατάσταση κατεστραμμένων ιστών.

Προκειμένου να αποφευχθεί η άμεση δημιουργία της υδρογέλης, η επιστημονική ομάδα με επικεφαλής το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια (Caltech) περιέκλεισε τους παράγοντες διασύνδεσης σε λιποσώματα – σωματίδια με λιπιδικό περίβλημα – που «διαρρέουν» όταν θερμανθούν στους 41,7°C, δηλαδή ελαφρώς πάνω από τη φυσιολογική θερμοκρασία του σώματος. Η ομάδα χρησιμοποίησε εστιασμένους υπερήχους για να θερμάνει και να διαπεράσει τα λιποσώματα, απελευθερώνοντας τους παράγοντες και δημιουργώντας έτσι την υδρογέλη απευθείας στο σημείο-στόχο μέσα στο σώμα.

Σε αντίθεση με παλαιότερες προσεγγίσεις που βασίζονταν σε υπέρυθρο φως, οι ερευνητές επέλεξαν τους υπέρηχους επειδή μπορούν να ενεργοποιήσουν το βιομελάνι ακόμη και σε βάθος, φτάνοντας έως τους μυς και τα εσωτερικά όργανα.

«Το υπέρυθρο φως έχει περιορισμένες δυνατότητες διείσδυσης καθώς φτάνει μόλις κάτω από το δέρμα», δήλωσε ο Γουέι Γκάο, βιοϊατρικός μηχανικός του Caltech. «Η νέα μας τεχνική επιτρέπει την εκτύπωση υλικών σε μεγάλο βάθος και για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, διατηρώντας υψηλή βιοσυμβατότητα» πρόσθεσε.

Χάρη στον ακριβή έλεγχο της δέσμης υπερήχων, η ομάδα κατάφερε να «εκτυπώσει» σύνθετα σχήματα, όπως αστέρια και σταγόνες.

Πέρα από την καινοτομία της εκτύπωσης, το DISP έχει και πρακτικές εφαρμογές. Η τεχνική χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα για την αντικατάσταση ή αποκατάσταση ιστών, τη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων και ακόμη και την καταγραφή ηλεκτρικών σημάτων.

Σε πειράματα σε κουνέλια, το σύστημα κατάφερε να εκτυπώσει τεχνητό ιστό σε βάθος έως 4 εκατοστών κάτω από το δέρμα, κάτι που θα μπορούσε να επιταχύνει την επούλωση τραυμάτων, ειδικά όταν ενσωματώνονται κύτταρα στο βιομελάνι.

Σε 3D καλλιέργειες κυττάρων καρκίνου της ουροδόχου κύστης, η χορήγηση χημειοθεραπευτικού φαρμάκου μέσω του DISP οδήγησε σε σταδιακή αποδέσμευση του φαρμάκου και σημαντικά υψηλότερα ποσοστά καταστροφής των καρκινικών κυττάρων σε σχέση με την απλή έγχυση.

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν επίσης αγώγιμα βιομελάνια με τη χρήση νανοσωλήνων άνθρακα και νανοσύρματων αργύρου, τα οποία ενδέχεται να αξιοποιηθούν σε εμφυτεύσιμους αισθητήρες για την καταγραφή της θερμοκρασίας ή των ηλεκτρικών σημάτων από την καρδιά και τους μυς. Αξίζει να σημειωθεί ότι δεν παρατηρήθηκε τοξικότητα από την υδρογέλη και το επιπλέον βιομελάνι αποβλήθηκε φυσικά από τον οργανισμό μέσα σε επτά ημέρες.

Αν και η μετάβαση από τις δοκιμές σε ζώα στις εφαρμογές σε ανθρώπους αποτελεί το επόμενο κρίσιμο βήμα, η προοπτική 3D εκτύπωσης ιατροτεχνολογικών συσκευών μέσα στο σώμα κρίνεται ιδιαίτερα ελπιδοφόρα.

«Το επόμενο βήμα μας είναι η εκτύπωση σε μεγαλύτερα ζωικά μοντέλα και, σύντομα, η αξιολόγηση σε ανθρώπους», σημειώνει ο Γκάο. «Στο μέλλον, με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης, θέλουμε να πετύχουμε ακριβή, αυτόνομη εκτύπωση ακόμη και σε κινούμενα όργανα, όπως μια καρδιά που πάλλεται».

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Science.