Mokslas ir IT

2020.04.23 22:24

Pasitelkdami biospausdinimo technologiją mokslininkai kuria dirbtinius žandikaulio pakaitalus

Gediminas Dubonikas, VU žurnalas „SPECTRUM“2020.04.23 22:24

Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre dirbančios mokslininkės Mildos Alksnės tyrimai įvertinti ne tik Lietuvoje, bet ir užsienyje. Praėjusiais metais M. Alksnė apdovanota „L’Oréal Baltic“ tarptautinės programos „Moterims moksle“ stipendija. Įvertinimo sulaukė jos ir kolegų pastangos sukurti dirbtinį kaulinio audinio transplantą, kuris būtų pritaikomas atkuriant pažeistas kaulinio audinio vietas žmogaus organizme.

Mokslininkai gilinasi į žandikaulio modelio tobulinimą

Prestižine stipendija įvertinta jaunoji mokslininkė šiuo metu savo tyrimais stengiasi padėti žmonėms, kurie dėl genetinių ligų, vėžinių susirgimų, infekcijų ar traumų yra patyrę kaulinio audinio pažeidimus.

„Suaugusiame organizme kaulinis audinys nuolat atsinaujina ir geba savarankiškai sugyti po traumų. Dažniausi kaulinio audinio pažeidimai, kuriuos jis geba regeneruoti, yra kaulų lūžiai. Tačiau pasitaiko nemažai atvejų, kai kaulų lūžiai patys savaime nesugyja. Dar dažniau įvairių kaulinio audinio pažeidimų (genetinių ligų, vėžinių susirgimų, uždegimų ir pan.) metu susidaro kritinio dydžio kaulinio audinio defektai, kurie patys savaime regeneruoti nebesugeba“, – pasakoja M. Alksnė.

Pasak jos, norint išgydyti tokius pažeistus kaulinius audinius dažnai prireikia dirbtinių kaulo pakaitalų. Mokslininkė su kolegomis prof. dr. Vygandu Rutkūnu, dr. Virginija Bukelskiene, Egidijumi Šimoliūnu, Ieva Gedviliene ir įmone „VivusLAB“ yra sutelkusi didžiausias pastangas konkrečiai į žandikaulio karkaso modelio tobulinimą.

„Tam tikrų sintetinių kaulinio audinio medžiagų, naudojamų klinikinėje praktikoje, jau yra sukurta. Tačiau kiekvienas žmogaus kaulas yra savaip unikalus: pavyzdžiui, žandikauliai yra ypatingi tuo, kad juose yra dantys ir dėl to šie kaulai, nors yra gana nedideli, turi atlaikyti didelę kramtymo jėgą. Laikoma, kad 21 metų vyras, turintis sveikus dantis, kramtydamas maistą išvysto iki 340 N jėgą, o tai prilygsta didžiosios aros snapo jėgai“, – apie žandikaulio ypatumus pasakoja M. Alksnė.

Ne visi implantai pasiteisina

Medicinoje, gydant pažeistus kaulinius audinius, „auksiniu standartu“ laikoma technika yra kaulinio audinio transplantatai. Yra trys pagrindinės transplantatų, naudojamų dirbtinėje kaulinio audinio regeneracijoje, rūšys: autologiniai, alogeniniai ir ksenogeniniai. Vis dėlto visos šios rūšys turi nemažai minusų.

„Autologiniai transplantatai yra geriausi, tačiau dėl atsiradusių kaulinio audinio susirgimų ar didelių jo pažeidimų iš paciento neįmanoma paimti reikiamo kiekio audinio. Be to, tokio audinio išskyrimas reikalauja dar vienos papildomos operacijos. Tuo tarpu alogeninių ir ksenogeninių transplantatų didžiausi minusai – galimas patogenų perdavimas iš donoro recipientui ir paciento imunologinis atsakas į audinį, atkeliavusį iš kito organizmo“, – pasakoja jaunoji tyrėja.

Taigi, nors šie metodai ir išgelbėjo daugeliui žmonių gyvybę, jie turi trūkumų, sukeliančių įvairias problemas. O iki šiol tokioms problemoms spręsti naudojami mechaniniai prietaisai ar dirbtiniai protezai nevisiškai atkuria organo ar audinio funkcijas, ilgainiui dėvisi ir gali sukelti uždegimą, be to, nėra sukurti taip, kad integruotųsi į žmogaus organizmą, todėl pastaruoju metu vis daugiau dėmesio sulaukia audinių inžinerija.

Audinių inžinerija – moderni sritis

M. Alksnė pabrėžia, kad mokslininkai aktyviai ieško naujų kaulinio audinio regeneracijos būdų – mėginama pasitelkiant audinių inžineriją sukurti dabar naudojamų kaulo transplantatų pakaitalus.

„Pastaruoju metu pasaulio moksle itin garsiai kalbama apie audinių inžinerijos perspektyvas. Tai tarpdisciplininė mokslo šaka, jungianti inžinerijos ir gyvybės mokslų principus“, – aiškina mokslininkė.

Šis tarpdiscipliškumas itin svarbus, nes, norint suformuoti funkcionalų dirbtinį audinį, reikia užtikrinti sėkmingą sąveiką tarp trijų pagrindinių audinių inžinerijos sudedamųjų dalių – kamieninių ląstelių, karkaso ir signalinių molekulių. Kiekviena iš jų turi tenkinti tam tikrus kriterijus, priklausomus nuo konstruojamo audinio rūšies. Reguliuojant biologinius, biofizikinius, biomechaninius parametrus galima sukurti biologinius pakaitalus, kurie atkurtų, sutvirtintų ar net pagerintų audinių funkcijas.

„Audinių inžinerija nebėra tema iš fantastikos srities. Šiuolaikinis mokslas jau sugeba sukurti biologinius pakaitalus, kurie atkurtų, sutvirtintų ar net pagerintų audinių funkcijas. Šiuo tikslu naudojami konkrečiam audiniui būdingo tarpląstelinio užpildo analogai – karkasai. Implantuoti į organizmą jie suformuoja erdvę, kurioje ląstelės gali augti ir daugintis“, – sako tyrėja.

M. Alksnės manymu, funkcionalūs dirbtiniai audiniai ar organai, kuriami „mėgintuvėlyje“ (in vitro) pasitelkiant karkasus, kamienines ląsteles ir įvairias signalines molekules, ne tik išspręstų transplantacijai tinkamų donorų trūkumo problemą, bet ir galėtų būti sėkmingai panaudojami kaip natūralaus audinio modeliai žmogaus fiziologijos, fiziopatologijos bei toksikologijos tyrimams in vitro.

Pasitelktas 3D spausdintuvas

Šiuo metu Lietuvoje mokslininkai daugiausia tyrimų atlieka pažeistiems veido ir žandikaulių srities kauliniams audiniams atkurti. Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro mokslininkai su pažangiausiu 3D spausdintuvu spausdina porėtus, tačiau pakankamai stiprius kaulinius karkasus, su kuriais vykdomi in vitro ir in vivo tyrimai duoda daug žadančių rezultatų.

„Yra gautas bioetikos leidimas klinikiniam tyrimui vykdyti. Sieksime atkurti kaulinį audinį pacientams, kurie yra ilgą laiką netekę dantų ir norėtų prarastus dantis atkurti dantų implantais.

Į tyrimus įtraukę įvairių sričių specialistus – biochemikus, mechanikus, radiologus, fizikus, chemikus – ir glaudžiai bendradarbiaudami su klinikinėje praktikoje dirbančiais gydytojais specialistais, Gyvybės mokslų centro mokslininkai geba individualiai parinkti kaulinį audinį ir jį atkurti dirbtinėmis medžiagomis pagal individualų paciento defektą. Defekto duomenis, dydį, kompleksiškumą, taip pat kaulinio audinio struktūrą, kompaktiškumą, porėtumą specialistai sužino iš pacientui atliktos kompiuterinės tomografijos.

Jie specialiomis programomis sumodeliuoja tam pacientui individualų dirbtinį audinį, kuris idealiai atitinka pažeidimo formą ir dydį, mechanines tam kaului būdingas savybes.

Be to, būtina išlaikyti konstrukto porėtumą, kuris ypač svarbus paciento kaulinių ląstelių migracijai į dirbtinį audinį ir natūralaus kaulo formavimuisi. Kadangi ši medžiaga yra kompozitinė ir besirezorbuojanti, tai reiškia, kad ilgainiui neorganinės dalelės yra įsisavinamos ir interguojamos į natūralų paciento audinį, o organinės laipsniškai ištirpsta ir yra pakeičiamos paciento kauliniu audiniu“, – pasakoja M. Alksnė.

Bandoma įveikti funkcionavimo problemą

Vis dėlto mokslininkė neslepia, kad modernių dirbtinių transplantų kūrimas ne visada vyksta sklandžiai. Įvairių šalių mokslininkai, dirbantys dirbtinio kaulinio audinio konstravimo srityje, neretai susiduria su rimta problema – naujai sukonstruotame kauliniame audinyje nesiformuoja kraujagyslių tinklas. Nesusiformavus tinklui, negalimas normalus audinio funkcionavimas.

„Mano ir kolegų, su kuriais dirbame, uždavinys – sukurti tokį dirbtinį audinį, kuris skatintų ne tik kaulinio audinio, bet ir kraujagyslių tinklo formavimąsi. Tai nėra lengva, tačiau gauname daug žadančius rezultatus. In vitro sąlygomis atlikę pirmuosius eksperimentus matome, kad mūsų kuriami konstruktai geba inicijuoti naujų kraujagyslių formavimąsi, tačiau šiam teiginiui patvirtinti dar reikia papildomų tyrimų. Tikime, kad esame teisingame kelyje, o visi laukiantys iššūkiai gali būti įveikti, svarbu to norėti“, – optimistiškai nusiteikusi M. Alksnė.