На другом спрату Института за регенеративну медицину Ваке Форест, недалеко од банке лифтова, налази се збирка избледелих отисака који приказују сјајне тренутке у историји медицине. У једном, древни бабилонски апотекар држи уз себе бочицу са леком. Друга показује да је грчки лекар Хипократ тежио ка пацијенту у петом веку пре нове ере. Отиске је лекарима издало пре пола века фармацеутска компанија Парке-Давис, која их је рекламирала као историјску колу. Али није тешко прочитати њихово присуство у Ваке Форест-у, дом можда највеће концентрације медицинских футуриста на планети, као врхунску шалу: Можете ли веровати колико смо далеко стигли?
Из ове приче
Старост генерације
КупиКада сам посетио институт, у старом дуванском градићу Северна Каролина Винстон-Салем, прошао сам прозрачне лабораторије у којима су особље са белим слојем прелазили напред-назад преко поплочаног пода. На једном столу, поредјеном као за уметничку изложбу, леже пауковци од бубрежних вена, исплетени у нијансу љубичице љубичице и индига и памука. Машина је низ ходник допирала спорадичне електричне струје кроз два низа мишићних тетива, једну исечену од пацова, а другу направљену од биоматеријала и ћелија.
Истраживач по имену Иоунг-Јоон Сеол дочекао ме на вратима собе са ознаком "Биопринтинг". Иоунг-Јоон, младунче и носи наочале са пластичним оквиром, одрастао је у Јужној Кореји и усавршавао се у машинском инжењерству на универзитету у Похангу. У Ваке Форесту, он је део групе која ради са лабораторијским биопринтерима који су израђени по мери, моћним машинама које раде на исти начин као и стандардни 3-Д штампачи: Објекат се скенира или дизајнира помоћу софтвера за моделирање. Ти се подаци тада шаљу на штампач који користи шприцеве за полагање узастопних слојева материје док се не појави тродимензионални објект. Традиционални 3-Д штампачи углавном раде у пластици или воску. „Оно што је овде другачије“, рекао је Иоунг-Јоон, гурајући наочале према носу, „да имамо могућност штампања нечега што је живо“.
Показао је на машину са своје десне стране. Има сличност с једном од оних канџи које ћете наћи на стајалиштима за аутоцесте. Оквир је био тежак метал, а зидови провидни. Унутра је било шест шприца пореданих у низу. Један је држао биокомпатибилну пластику која би, када се штампа, формирала међусобно међусобно повезана скела - скелет, у основи - одштампаног људског органа или дела тела. Остали би могли да се напуне гелом који садржи људске ћелије или протеине како би се поспешио њихов раст.
Атала се наслања на прилагођени 3-Д биопринтер. Седамдесет и четири процента Американаца сматра да су биоинжињерирани органи „одговарајућа употреба“ технологије. Очекује се да ће се број трећих штампача који користе медицински центри удвостручити у наредних пет година. (Џереми М. Велики) 
У будућности се институт нада да ће клијати скеле направљене на штампачима попут овог са живим ћелијама да би се произвели трансплантабилни делови тела. (Џереми М. Велики) 
У технологији "тело на чипу", истраживачи користе четири лабораторијска органа малих димензија на црвеним чиповима повезаним цевима у којима циркулише крвну супституцију, како би тестирали утицај патогена, лекова и хемикалија на људско тело. (Џереми М. Велики) 
Ухо је једна од првих структура које су лабораторији покушале савладати као одскочну даску према сложенијим. (Џереми М. Велики) 
Прилагођени 3-Д биопринтер ради са биокомпатибилном пластиком да формира међусобну структуру скеле. (Џереми М. Велики) 
Срце "духа" свиње одузет ће ћелије ткива. Неки истраживачи се надају пресађивању таквих органа људима након што су их посејали људским ћелијама. (Тексашки институт за срце) 
Истраживачи са Института за регенеративну медицину Ваке Форест стварају скеле - у основи скелете - за доње лице и десно ухо. (Џереми М. Велики) 
На крају би предмет направљен на 3-Д штампачу постао једнако део пацијентовог тела колико и орган са којим се особа родила. (Џереми М. Велики) 
Уређај који једног дана може да тестира лекове циркулише крвну супституцију сићушним лабораторијски узгајаним органоидима који опонашају функцију срца, јетре, плућа и крвних судова. (Џереми М. Велики) Док се скела штампа, ћелије предвиђеног пацијента се штампају на скели и улази у њу; структура се поставља у инкубатор; ћелије се множе; и у принципу се предмет имплантира пацијенту или у њега. Временом предмет постаје исто толико део пацијентовог тела колико и органи са којима је рођен. "То је нада, ионако", рекао је Иоунг-Јоон.
Иоунг-Јоон је програмирао један од штампача да започне поступак стварања скела за људско ухо, а просторија се испунила умирујућим електронским ударом, сломљеним само повременим уздахом из штампача - пуштањем компримованог ваздуха који га је задржавао рад. Загледавши се у стаклену кутију, могао сам видети скеле како постају за степене - мале, нежне, изузетно уличне . Будући да би поступак трајао сатима, Иоунг-Јоон ми је дао готову верзију за обраду. Било је лагано; почивао је на мом длану попут лептира.
Спољна структура уха једна је од првих структура коју је институт у Ваке Форест (и други истраживачки центри) покушао савладати, као одскочна даска ка компликованијим. Особље Ваке Форест-а имплантирало је кожу, уши, кости и мишиће биоотиснуте на лабораторијске животиње, где су успешно расле у околно ткиво.
За евангеличаре биографског штампања, који се повећавају - очекује се да ће се у три наредне године број троструких штампача испоручити у медицинске установе удвостручити - суђења су претећи свет који тек долази у фокус: свет у коме пацијенти наручите резервне делове за њихово тело на исти начин као што су то наручивали резервни расплињачи за њихов Цхеви.
"Размислите о томе као о моделу Делл", рекао је Антхони Атала, педијатријски уролог и директор института, поменувши познати модел "директне" везе рачунара са рачунаром компаније између потрошача и произвођача. Седели смо у канцеларији Атале на четвртом спрату истраживачког центра. „Имали бисте компаније које постоје да обрађују ћелије, стварају конструкте, ткива. Ваш хирург може узети ЦТ претрагу и узорак ткива и послати га тој компанији “, рекао је. Недељу дана или касније, орган би стигао у стерилни контејнер преко ФедЕк-а, спреман за имплантацију. Престо, промени : нови део мене - од вас - направљен по наруџби.
„Оно што је занимљиво је да нема правих хируршких изазова“, рекао је Атала. "Постоје само технолошке препреке које морате савладати да бисте били сигурни да инжењерирано ткиво исправно функционише."
Ближимо се, са „једноставним“ органима као што су кожа, спољно ухо, тракавица слична цевима. У исто вријеме, Атала не може а да не погледа шта би могло сљедеће. У свом најситнијем стању, он воли да замисли велику био-штампарску индустрију способну да извади велике и сложене органе без којих тело не би успело, попут јетре или бубрега. Индустрија која би могла да направи традиционалне трансплантације - са дугим, често кобним временима чекања и све присутним ризиком одбацивања органа - потпуно застарела.
Била би то потпуна медицинска револуција. Све би то променило. И ако је у праву, Ваке Форест, са својим бичевима који штампају, меснатим ушима и разнобојним венама и артеријама, могао би бити тамо где све почиње.
Идеја да један сломљени комад можемо заменити здравим комадом или делом неког другог, протеже се вековима уназад. Цосмас и Дамиан, заштитници хирурга, наводно су причврстили ногу недавно преминулог Етиопског Мавра на бијелог Римљана у трећем вијеку нове ере, предмет који су приказали бројни умјетници из ренесансе. До 20. века медицина је напокон почела да хвата машту. Године 1905. офталмолог Едуард Зирм успешно је исекао рожницу од повређеног 11-годишњег дечака и емигрирао га у тело 45-годишњег радника чешке фарме, чији су се очи повредиле док је лупао вапном. Десетљеће касније, Сир Харолд Гиллиес, понекад назван оснивачем пластичне хирургије, извршио је графт на кожи британских војника током Првог светског рата.
Али прва успешна трансплантација великог органа - органа виталног за људску функцију - догодила се тек 1954. године, када је Роналд Херрицк, 23-годишњак из Масачусетса, једном свом здравом бубрегу поклонио брату близанцу, Рицхарду, који је боловао од хроничног нефритиса. Будући да су идентични близанци Херрицк дијелили исту ДНК, Јосепх Мурраи, хирург у болници Петер Бент Бригхам (данас познат као Бригхам анд Вомен), био је увјерен да је пронашао крајњи проблем око проблема одбацивања органа.
У својој аутобиографији Хирургија душе, Мурраи се присјетио тренутка тријумфа. „У операцијској сали завладала је колективна гужва док смо нежно скидали споне са посуда које су ново причвршћене за бубрег даваоца. Како се обнављао крвоток, Рицхардов нови бубрег почео је да се захуктава и постаје ружичаст ”, написао је. „Око нас је било исмевања.“ С Херрицксом, Мурраи је доказао суштинску поанту о нашој биолошкој кратковидности, увиду који покреће толико много данашње врхунске биоинжињеринга: Нема замене за употребу сопственог генетског материјала пацијента.
Како се хируршка наука побољшавала заједно са имуносупресивним третманима који су пацијентима омогућавали прихватање страних органа, оно што се некада чинило само ван досега постало је стварност. Прва успешна трансплантација панкреаса обављена је 1966, прва трансплантација срца и јетре 1967. До 1984. Конгрес је донео Национални закон о трансплантацији органа, којим је створен национални регистар за усклађивање органа и настојао да обезбеди правичну дистрибуцију органа донатора. . У болницама широм земље лекари су вести пренели што је могуће њежније - понуда једноставно не задовољава потражњу, мораћете да се задржите - и у многим су случајевима гледали како пацијенти умиру чекајући да им имена означе врх листе. Овај основни проблем није нестао. Према подацима Министарства здравља и људских услуга САД-а, у овој земљи сваки дан умире 21 особа која чека орган. "За мене, захтев није апстрактна ствар", недавно ми је рекао Атала. „Било је врло стварно, било је срчано, и одвело ме. То нас је све натерало да пронађемо нове поправке. "
Атала, који има 57 година, мршав је и благо сабраних рамена, са шоком смеђе косе и лаганом љубазношћу - охрабрује све да га зову Тони. Рођен у Перуу и одрастао на Флориди, Атала је стекао звање доктора медицине и специјалну обуку урологије на Универзитету у Лоуисвиллеу. 1990. године добио је двогодишњу стипендију са Харвард Медицал Сцхоол. (Данас у Ваке Форест-у још увек блокира бар један дан недељно да види пацијенте.) На Харварду се придружио новом таласу младих научника који су веровали да би једно од решења за недостатак давалаца органа могло бити стварање, у лабораторији, резервних делова.
Међу њиховим првим великим пројектима био је покушај узгоја људског бешике - релативно велики орган, али шупљи, поприлично једноставан у функцији. Помоћу игле за шивање ручно је спојио биоразградиве скеле. Касније је узео уротелијске ћелије из мокраћног бешике и мокраћних путева потенцијалног пацијента и умножио их у лабораторији, а затим је ћелије нанео на структуру. "Било је то као печење слојног колача", рекла ми је Атала. „Радили смо то један по један слој. И након што смо све ћелије посадили, поново смо их ставили у инкубатор и пустили да се кухају. “У року од неколико недеља, појавила се мала бела кугла, која није толико различита од праве.
Између 1999. и 2001., након низа тестова на псима, прилагођени мокраћни мехурји трансплантирани су седморо младих пацијената који пате од спина бифиде, ослабљујућег поремећаја који је узроковао да им се мокраћни мехур не испуши. 2006. године, у многобројном гласилу у Ланцету, Атала је објавио да, седам година касније, биоинженирски мехурји раде изузетно добро. То је био први пут да су лабораторијски узгојени органи успешно трансплантирани код људи. "Ово је један мали корак у нашој способности да напредујемо у замени оштећених ткива и органа", рекао је Атала у тадашњем саопштењу за штампу, понављајући речи Нила Армстронга. Био је то репрезентативан пример једног од основних поклона Атале. Као што су ми рекли Давид Сцадден, директор Центра за регенеративну медицину у Општој болници у Массацхусеттсу и ко-директор Института за матичне ћелије Харвард, Атала је "одувек био визионар. Увек је био прилично храбар и прилично ефикасан у својој способности да скрене пажњу на науку. "
Мјехура су била важна прекретница, али нису биле посебно високе у погледу потражње пацијената. Штавише, поступак одобравања у више фаза који за америчке агенције за храну и лекове захтева такве поступке може потрајати. Данас мехурици које је направио Атала још увек нису добили одобрење за широку употребу. "Када размишљате о регенеративној медицини, морате размишљати не само о ономе што је могуће, већ о ономе што је потребно", рекла ми је Атала. "Морате мислити:" Имам само толико времена, па шта ће направити највећи могући утицај на највише живота? "
За Атала је одговор био једноставан. Око осам од десет пацијената на листи за трансплантацију треба бубрег. Према недавној процени, чекају у просеку четири и по године даваоца, често у озбиљним боловима. Ако је Атала заиста желео да реши кризу недостатка органа, није било начина: Морао би да се позабави бубрегом.
Од свог настанка раних 1980-их, када се на њега у великој мери гледало као на индустријски алат за изградњу прототипа, 3-Д штампарство је прерасло у индустрију вредну више милијарди долара, са све већим распоном потенцијалних примена, од дизајнерских ципела до зубних круница да направите домаће пластичне пушке. (Данас можете ући у продавницу електронике и купити преносни 3-Д штампач за мање од 500 долара.) Први медицински истраживач који је скочио на живу материју био је Тхомас Боланд, који је, док је биолог инжењерства на Универзитету Цлемсон, у Јужна Каролина, 2003. године поднела је патент на прилагођеном инкјет штампачу који може штампати људске ћелије у смеши гела. Убрзо су истраживачи попут Атале тинктурирали властитим верзијама машине.
За Атала је обећање о био-штампању имало везе са обимом. Иако је успешно узгојио орган у лабораторији и пресађивао га у човека, процес је био невероватно временски захтеван, недостајала је прецизност, обновљивост је мала, а могућност људске грешке свеприсутна.
У Ваке Форест-у, где је Атала 2004. постао оснивач института, почео је да експериментише са штампањем структура коже, костију, мишића, хрскавице и, најмање важно, бубрега. За неколико година био је довољно сигуран у свој напредак да то и покаже. Атала је 2011. године одржао ТЕД разговор о будућности биоинжињерираних органа који су од тада посматрани више од два милиона пута. Носећи набрекле какије и кошуљу са дугим пругастим дугметом, говорио је о „великој здравственој кризи“ коју представља недостатак органа, делом као резултат наших дужих животних векова. Описао је медицинске изазове са којима је иновација и лагодни лабораторијски рад савладао: осмишљавање најбољих биоматеријала за употребу у скелама, учење како узгајати ћелије специфичне за орган изван људског тела и одржавати их живим. (Неке ћелије, објаснио је он, попут оних панкреаса и јетре, и даље су тврдоглаве за раст.)
И говорио је о био-штампању, показавши видео неколико својих штампача на послу у лабораторији, а затим открио штампач иза себе на позорници, заузет изградњом ружичастог сферног предмета. Пред крај разговора један од његових колега појавио се са великом чашом напуњеном роза течношћу.
Док је гомила седела у тишини, Атала посегну у чашу и извади оно што му се чинило да је витак, превелик пасуљ. У мајсторски приказ излагања, држао је предмет напред у рукама у рукама. "Заправо можете видјети бубрег као што је штампано раније данас, " рекао је. Публика је избила у спонтани аплауз. Сутрадан је жична новинска агенција Агенце Франце-Прессе објавила у широко распрострањеном чланку да је Атала штампао „прави бубрег“ на машини која „елиминише потребу за донорима када је реч о трансплантацији органа“.
Будућност је долазила.
А онда није.
У ствари, оно што је Атала држао на позорници није радни људски бубрег. Био је то инертан, изузетно детаљан модел, укус онога чему се надао и помислио да ће једног дана донијети биоотисак. Ако сте пажљиво гледали презентацију, могли сте видети да Атала никада није обећао да је оно што држи био радни орган. Ипак, критичари су се усредсређивали на оно што су доживљавали као врхунску вежбу у специјалним ефектима.
Прошле године Јеннифер Левис, научница за материјале на Харварду и водећа истраживачица у био-штампању (њена специјалност су инжењеринг васкуларизована ткива), чини се да је Атала критиковала у интервјуу за Нев Иоркер . „Мислила сам да је то заблуда“, рекла је, позивајући се на ТЕД Талк. "Не желимо људима давати лажна очекивања, а то поље даје лоше име."
Након предавања о ТЕД-у, Ваке Форест је објавио саопштење за штампу у којем је нагласио да ће проћи дуго времена прије него што би био бубрег био отиснут на тржиште. Када сам питао Атала да ли је научио било шта од полемике, одбио је да то директно коментарише, указујући уместо на то зашто не воли стављање временске ознаке на било који одређени пројекат. "Не желимо пацијентима давати лажну наду", рекао ми је.
Прашина је добро илустрирала један од главних изазова са којим су се истраживачи суочили из области регенеративне медицине: Желите да ангажирате ентузијазам о ономе што је могуће, јер ентузијазам може превести на штампу, финансирање и ресурсе. Желите да инспиришете људе око себе и следећу генерацију научника. Али не желите погрешно представити оно што је реално надохват руке.
А кад је реч о великим, компликованим органима, поље још увек има начина да оде. Седите оловком и комадом папира и тешко бисте могли да сањате нешто што је архитектонски или функционално сложеније од људског бубрега. Унутрашњост органа величине шаке сачињена је од чврстих ткива којима пролази замршени систем аутоцеста крвних судова, који имају пречник од свега 0, 010 милиметара, и отприлике милион ситних филтера познатих као нефрони, који здраву течност враћају назад у крвоток и отпадне до мјехура у облику урина. Да бисте биопринтали бубрег, морали бисте бити култивисани и уносити не само функционалне ћелије бубрега и нефроне, већ бисте морали савладати и како попунити орган васкулатуру да би се орган хранио крвљу и храњивим тварима треба. И све би то требало да изградите изнутра.
Због тога многи истраживачи истражују опције које не укључују штампање тих структура од почетка, већ уместо тога покушавају да користе оне које је природа већ дизајнирала. На Тексасовом институту за срце у Хјустону, Дорис Таилор, директорица програма за истраживање регенеративне медицине института, експериментише са деслуларизованим срцима свиња - органима који су лишени мишића и свих осталих ћелија живог ткива у хемијској купељи, остављајући само основни колаген матрикс. Одужени орган је блед и сабласан - подсећа на блистав штап исцеђен из раствора који је једном учинио да блиста. Али пресудно је да поступак оставља унутрашњу архитектуру органа нетакнутом, васкулатуром и све остало.
Таилор се нада да ће једног дана употријебити замрзнута свињска срца, репопулирана људским ћелијама, за пресађивање људским пацијентима. До сада је њен тим убризгавао срца живим ћевовима и убацио их у краве, где су успешно тукли и пумпали крв заједно са оригиналним здравим срцем крава. За Таилор овај приступ представља изазове проналажења начина за штампање по невероватно финој резолуцији коју васкуларне мреже захтевају. "Технологија ће морати много да побољша како би успела да одштампамо бубрег или срце, добијемо крв у њему и задржимо га у животу", каже Таилор.
Истраживачи из Ваке Форест-а такође експериментишу са успореним органима и са животињског и људског трупа. Заправо, иако Атала на замену бубрега види као његов Свети Грал, он се не претвара да ће изградња бити ништа друго него инкрементални процес, започет из различитих углова. Док истраживачи у институту и другде раде на усавршавању штампања спољне структуре и унутрашње архитектуре органа, такође експериментишу са различитим начинима штампања и раста крвних судова. У исто време, они шаљу технике за култивацију живих ћелија бубрега неопходних да би све функционисало, укључујући нови пројекат ширења бубрежних ћелија узетих из биопсије пацијентовог здравог ткива.
Када смо разговарали, Атала је нагласио да му је циљ да у функцију људи створи велики орган направљен од човека којем је очајнички потребан, без обзира да ли је орган био штампан или не. „Каква год технологија била потребна да се тамо стигне, “ рекао је.
Па ипак, брзо је истакао да начин на који тамо стигнете није неважан: У коначници, желите да поставите темеље за индустрију која никога неће осигурати - било у наредним деценијама или у 22. веку, у зависности од тога ваш ниво оптимизма - икада ће поново желети орган за спашавање живота. Да бисте то постигли, не можете му то ићи руком.
"Требаће вам уређај који ће моћи да поново ствара исте врсте органа и времена", рекла ми је Атала. "Баш као што је израђена у машини."
Једног поподнева зауставио сам се за столом Јохна Јацксона, ванредног професора у институту. Јацксон (63) је експериментални хематолог у трговини. Пре четири године је дошао у Ваке Форест и упоредио је прелазак у институт, са свом технологијом нове генерације, као "повратак у школу изнова."
Јацксон надгледа развој штампача на кожи ћелија, који је дизајниран тако да директно исписује низ живих ћелија коже директно на пацијента. „Рецимо да имате повреду коже“, сугерише Џексон. „Скенирали бисте ту рану да бисте добили тачну величину и облик оштећења, и добили бисте тродимензионалну слику оштећења. Затим бисте могли да штампате ћелије "- које се гаје у хидрогелу -" у тачном облику који вам је потребан за рану. "Штампач тренутно може да положи ткива на горња два слоја коже, довољно дубока да се третирају - и зацелити већину опекотина. Низом линије, лабораторија се нада да ће штампати дубље испод површине коже и исписати сложеније слојеве коже, укључујући масно ткиво и дубоко укоријењене фоликуле косе.
Јацксон је процијенио да би клиничка испитивања могла почети у наредних пет година, до одобрења ФДА. У међувремену, његов тим је био заузет испитивањем штампача на свињама. Открио је велики постер, који је био подељен на панеле. У првој је приказана детаљна фотографија квадратне ране, дугачке око четири центиметра на једној страни, коју су техничари пресекли на свињским леђима. (Свиње су стављене под општу анестезију.) Истог дана, истраживачи су штампали ћелије директно на рану, процес који је трајао око 30 минута. На фотографијама које се штампају након штампања можете уочити одступање у боји и текстури: Подручје је живахније и тамније од природног свињског меса. Али било је мало пуцкања, без подигнутог или удубљеног ожиљака и временом се гел мање-више потпуно утопио у околну кожу.
Штампач кожних ћелија један је од неколико активних пројеката института који добија финансирање од Министарства одбране САД, укључујући иницијативе за регенерацију ткива за повреде лица и гениталија, које су ендемичне међу америчким војницима који су повређени у недавним ратовима. Прошле године, истраживачи предвођени Аталом најавили су успешну имплантацију вагиница направљених коришћењем сопствених ћелија пацијента код четворо тинејџера који пате од ретког репродуктивног поремећаја званог Маиер-Рокитански-Кустер-Хаусер синдром. Ваке Форест такође тестира лабораторијски узгојене и успораване пенисере и аналне сфинктере на животињама, са надом да ће започети покуса на људима у наредних пет година.
Периферија, нови роман футуристе Вилијама Гибсона, који је сковао појам "сајберпростор" и предвидио већину дигиталне револуције, одвија се у време када су људи способни да "фабулишу" - у суштини тродимензионалном штампању - све што им треба : дрога, рачунари, одећа. Ограничена је само маштом. Па ипак, нагнут над Јацксоновим плакатом, нашао сам се на помисли да ни Гибсон то није предвидио: живо месо, на захтев.
Пришао сам Аталовој канцеларији. Сунчева светлост просипала се по поду и висок скуп полица за књиге на којима су биле изложене фотографије два млада сина Атале и неколико примерака његовог уџбеника, Принципи регенеративне медицине .
Био је цело јутро у операцијској сали (он је и председавајући урологије на медицинској школи) и није очекивао да ће се вратити кући до касно увечер, али био је ведар и буран од енергије. Питао сам га да ли икада размишља да одустане од праксе и фокусира се искључиво на истраживање.
Одмахнуо је главом. „На крају дана, почео сам да се бавим пацијентима у медицини, “ рекао је. „Волим да имам тај однос са породицама и пацијентима. Али подједнако важно, држи ме у контакту са потребама. Јер ако из прве руке видим да је то потребно, ако могу да се суочим са проблемом - па, знам да ћу и даље радити на томе, настави покушавати да схватим. "
