Na pierwszy rzut oka to niewielkie urządzenie mogłoby uchodzić za zwykłą drukarkę. Dla dr Jagody Litowczenko-Cybulskiej biodrukarka wolumetryczna 3D jest początkiem fascynujących badań nad tworzeniem konstruktów tkankowych. Naukowczyni przeniosła się do Centrum Zaawansowanych Technologii, gdzie wraz z nowo budowanym zespołem realizuje dwa duże projekty badawcze, krok po kroku przybliżając nas do rozwiązań, które jeszcze niedawno wydawały się należeć do świata science fiction.
Nowy zespół, nowe laboratorium, nowy początek?
– Można tak powiedzieć, choć w praktyce działamy tu już od zeszłego roku, kiedy oficjalnie przeniosłam się do CZT. I z tej zmiany jestem ogromnie zadowolona. Otrzymałam możliwość stworzenia laboratorium dokładnie takiego, jakie sobie wymarzyłam – z pełną swobodą w decydowaniu o układzie pomieszczeń, ich funkcjach oraz charakterze poszczególnych sekcji: chemicznych, biologicznych i analitycznych – obejmujących zarówno bioobrazowanie, jak i testowanie mechaniczne materiałów.
Mamy laboratoria z drukarkami 3D oraz osobne sekcje do pracy z komórkami macierzystymi, co minimalizuje ryzyko kontaminacji między zespołami. W biologii to niezwykle istotne – dobrze zorganizowana, własna przestrzeń gwarantuje bezpieczeństwo i wysoką jakość prowadzonych badań.
Ogromnym atutem CZT są tzw. CoreLabs, czyli wspólne laboratoria, z których możemy korzystać. Dzięki nim nie muszę inwestować w kosztowny sprzęt – mamy dostęp do nowoczesnych pracowni komórkowych i chemicznych. To rozwiązanie otwiera bardzo szerokie możliwości prowadzenia interdyscyplinarnych badań, a jednocześnie pozwala zachować niezależność naszego zespołu. Miałam okazję brać udział w planowaniu CoreLabów biologicznych, dzięki czemu mogłam wprowadzić dobre praktyki, które poznałam podczas pracy w zagranicznych jednostkach badawczych.
Choć wciąż doposażamy laboratoria, już teraz prowadzimy badania i przygotowujemy pierwsze publikacje. Wraz z rozwojem zespołu planujemy realizować kolejne projekty. Cały proces – od wytworzenia biomateriałów i od hodowli komórek po uzyskanie gotowego modelu naczyniowego – trwa wiele tygodni, dlatego tak ważne jest, by pracować w komfortowych warunkach. Cieszę się, że mogę to robić właśnie tutaj, w CZT.
Czym właściwie różni się tradycyjny druk 3D od biodruku 3D, w którym wykorzystuje się żywe komórki?
– Tradycyjny druk 3D polega po prostu na nanoszeniu materiału – najczęściej tworzyw termoplastycznych – warstwa po warstwie, aż powstanie trójwymiarowy obiekt. To struktury niebiologiczne, wykonane z tworzywa sztucznego. W ten sposób można wydrukować na przykład figurkę czy element techniczny – zwykły przedmiot użytkowy.
Biodruk 3D działa zupełnie inaczej – łączy technikę druku przestrzennego z biologią i inżynierią materiałową. W tym przypadku drukujemy z biomateriałów, najczęściej z hydrożeli, czyli substancji o bardzo dużej zawartości wody, w których można zawiesić żywe komórki. Już w trakcie druku materiał z komórkami formowany jest w trójwymiarowy konstrukt biologiczny.
Kluczowym etapem jest tzw. usieciowanie hydrożelu, które polega na utworzeniu stabilnej sieci polimerowej nadającej materiałowi odpowiednią strukturę i trwałość. Jeśli ten proces nie przebiegnie prawidłowo, struktura może się po prostu rozpuścić podczas hodowli. Dlatego biodruk wymaga ogromnej precyzji i wiedzy z pogranicza biologii, chemii i inżynierii materiałowej. Trzeba wiedzieć, jak wytwarzać i modyfikować materiały, jak je łączyć z komórkami i jak uzyskać pożądany efekt biologiczny. To bardzo interdyscyplinarna praca, wymagająca dokładnego planowania.
Istnieje wiele metod biodruku 3D. Najczęściej stosowaną jest tzw. druk ekstruzyjny, w którym hydrożel z komórkami nanoszony jest warstwa po warstwie, w efekcie czego tworzy na przykład cylindryczne struktury – tak pracowałam w trakcie realizacji mojego projektu Marie Curie Individual Fellowship w Hiszpanii.
Do nowego laboratorium zakupiłam również drukarkę wolumetryczną. To zupełnie inny typ biodruku. Struktura 3D powstaje tutaj dzięki precyzyjnemu sieciowaniu hydrożelu za pomocą światła laserowego. Cała objętość naczynia wypełnionego hydrożelem jest naświetlana jednocześnie – stąd nazwa „druk wolumetryczny/objętościowy”.
Technologia ta opiera się na zasadzie odwrotnej do tomografii komputerowej. W tomografii aparat obraca się wokół obiektu i zbiera jego przekroje, a tutaj to my projektujemy te przekroje i „rzutujemy” je do wnętrza hydrożelu. System luster i wiązka lasera naświetlają tylko te fragmenty materiału, które mają zostać usieciowane. W efekcie – w ciągu kilku sekund – powstaje precyzyjna, trójwymiarowa struktura biologiczna.
Ta metoda pozwala niezwykle szybko i dokładnie wytwarzać trójwymiarowe konstrukty w warunkach sterylnych, z wykorzystaniem tzw. biotuszy. Dzięki niej możemy drukować obiekty w mikrometrowej skali – na przykład tubularne struktury naczyniowe, idealne do naszych projektów. Wcześniej próbowałam uzyskać podobne efekty innymi metodami, ale żadna nie dawała takiej dokładności.
Drukarka ta umożliwia tworzenie zarówno bardzo małych, precyzyjnych struktur, jak i większych obiektów, a dodatkowo pozwala na druk wielomateriałowy. Moim zdaniem to obecnie najlepszy sprzęt do tego typu badań. Pracowałam już na wielu innych drukarkach i każda miała swoje ograniczenia. Ta wymaga stosowania fotosieciowalnych hydrożeli, dlatego w naszym laboratorium chemicy prowadzą modyfikacje materiałów, by jak najlepiej dostosować je do tej technologii.
W swoich wypowiedziach porównuje pani hydrożele do „silnie uwodnionych materiałów o konsystencji elastycznego żelu, którego właściwości mechaniczne są zbliżone do tkanek miękkich”. Czym właściwie są te materiały i jakie muszą mieć właściwości, by można było z nich budować żywe tkanki i struktury naczyniowe?
– W naszych badaniach staramy się wytworzyć tzw. przeszczepy naczyniowe – cylindryczne struktury, które potocznie nazywam „tubkami”. To konstrukty wypełnione różnymi typami komórek, na przykład kardiomiocytami czy komórkami mięśni gładkich, ale kluczową rolę odgrywają w nich komórki śródbłonka (endotelialne). To właśnie one wyściełają wnętrze naczyń krwionośnych i odpowiadają za ich prawidłowe funkcjonowanie – umożliwiają właściwy przepływ krwi, a ich uszkodzenie może mieć poważne konsekwencje.
Dobrym przykładem jest sytuacja, gdy pacjent ma wstawiony stent, czyli metalową cylindryczną konstrukcję utrzymującą drożność naczynia – na przykład w układzie wieńcowym. Badania pokazują, że stent może mechanicznie uszkadzać śródbłonek, co prowadzi do odsłonięcia powierzchni naczynia. W takich miejscach zaczynają się gromadzić płytki krwi, co sprzyja tworzeniu się zakrzepów i w konsekwencji może doprowadzić nawet do udaru. Dlatego tak ważne jest utrzymanie ciągłej monowarstwy komórek endotelialnych na wewnętrznej powierzchni naczyń.
Jak w warunkach laboratoryjnych odtworzyć tak złożoną, a zarazem delikatną strukturę, jaką są naczynia krwionośne?
– Nasze badania koncentrują się na tworzeniu modeli naczyń krwionośnych w warunkach laboratoryjnych – takich, które pozwalają badać ich funkcjonowanie, przepływ płynów (w systemie perfuzyjnym) czy reakcję na różne czynniki, na przykład leki. Dzięki temu możliwy staje się rozwój medycyny spersonalizowanej. Wykorzystuje się w niej tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste – czyli dorosłe komórki, przeprogramowane tak, by zachowywały się jak komórki macierzyste i mogły różnicować się w różne typy tkanek.
Najczęściej pozyskuje się je z fibroblastów pobranych ze skóry pacjenta. Za pomocą technik inżynierii genetycznej fibroblasty przywraca się do formy komórek niezróżnicowanych, a następnie kieruje ich rozwojem tak, by stały się śródbłonkiem lub innymi potrzebnymi komórkami.
Tak powstałe komórki zachowują cechy osobnicze – w tym genetyczne choroby pacjenta – co pozwala badać ich reakcję na leczenie.
W ramach projektu Opus LAP, który rozpocznie się w przyszłym roku i jest realizowany we współpracy z Czeską Akademią Nauk, pracujemy nad nową generacją stentów. Naszym celem jest stworzenie materiału opartego na hydrożelach, który będzie biokompatybilny i nie będzie uszkadzał warstwy śródbłonka. Dodatkowo w takich stentach planujemy umieszczać leki o kontrolowanym, powolnym uwalnianiu, które mają wspierać regenerację śródbłonka po zabiegu i zapobiegać przerastaniu innych warstw komórek. To są badania podstawowe – po raz pierwszy analizujemy ten typ hydrożelu w połączeniu z lekami.
Z kolei w ramach grantu First Team FENG z Fundacji Nauki Polskiej, realizowanego we współpracy między innymi z University of Colorado Boulder, University of Valladolid, Åbo Akademi University oraz Bellvitge Biomedical Research Institute, naszym celem jest opracowanie nowego typu biotuszu – czyli hydrożelu umożliwiającego biodrukowanie struktur zawierających żywe komórki. Taki biotusz powinien zapewniać odpowiednią dyfuzję składników odżywczych, tak by komórki śródbłonka mogły tworzyć wewnętrzne sieci naczyniowe.
To niezwykle istotne, ponieważ w inżynierii tkankowej często stosuje się metakrylowaną żelatynę – materiał dobrze poznany, ale mający zasadniczą wadę. W dużych strukturach, na przykład o średnicy 5 cm, komórki znajdujące się głębiej nie otrzymują wystarczającej ilości tlenu i substancji odżywczych, przez co obumierają, tworząc tzw. nekrotyczne jądro (necrotic core). W takich warunkach w centralnej części konstruktu tworzą się strefy nekrotyczne, co wynika z ograniczonego dostępu tlenu i składników odżywczych.
Dlatego w naszym projekcie opracowujemy dwuskładnikowe hydrożele, które – oprócz podstawowych komórek, takich jak fibroblasty czy kardiomiocyty – zawierają również komórki śródbłonka, zdolne do tworzenia mikrosieci naczyń włosowatych. Dzięki temu cały konstrukt jest unaczyniony, a komórki pozostają żywe również w jego wnętrzu.
Takie rozwiązanie może znaleźć wiele zastosowań – na przykład w badaniach nad organoidami, które często mają ten sam problem: brak ukrwienia prowadzi do obumierania komórek w głębszych warstwach. Nasz materiał mógłby być wykorzystywany do ich hodowli, umożliwiając tworzenie długowiecznych, w pełni funkcjonalnych organoidów. Sprawdza się także w systemach typu organ-on-a-chip czy w inżynierii tkankowej, na przykład przy tworzeniu grubych fragmentów skóry, mięśni czy tzw. łatek nasercowych (cardiac patches).
Ostatecznie dążymy do opracowania biotuszu, który pozwoli na długotrwałą hodowlę i pełne unaczynienie tkanek – a to przybliży nas o krok do ich zastosowania w praktyce klinicznej.
W pani badaniach pojawia się również fibroina jedwabiu – białko produkowane przez jedwabniki. Co sprawia, że ten materiał jest tak interesujący dla naukowców zajmujących się biodrukiem?
– W naszych badaniach pracujemy nad różnymi typami hydrożeli, które łączymy, by uzyskać materiały o pożądanych właściwościach mechanicznych. Jako punkt wyjścia stosujemy metakrylowaną żelatynę – dobrze poznaną i często używaną w biotechnologii. Naszym celem jest jednak tworzenie własnych, oryginalnych biotuszy.
Wykorzystujemy do tego fibroinę jedwabiu – zarówno w postaci rekombinowanych białek, których właściwości możemy projektować, na przykład modulując ich elastyczność, tempo degradacji, jak i fibroinę pozyskiwaną bezpośrednio z kokonów jedwabników. Prowadzimy też badania nad materiałami pochodzenia roślinnego, które pozwalają nam jeszcze lepiej kontrolować parametry biotuszy, takie jak biokompatybilność czy sprężystość.
Nie chcemy podążać za trendami, tylko rozwiązywać konkretne problemy. W najbliższych miesiącach skupimy się na integracji naszych hydrożeli z komórkami macierzystymi i dalszym rozwijaniu biotuszy opartych na fibroinie jedwabiu.
Wspomniała pani o tzw. łatkach nasercowych. Jak daleko jesteśmy od momentu, w którym możliwe będzie stworzenie w ten sposób na przykład nowej wątroby?
– Do wyhodowania pełnych organów droga jest jeszcze daleka – szczególnie w przypadku tak złożonych struktur, jak wątroba. To organ zbudowany z wielu typów komórek i posiadający bardzo rozbudowaną sieć naczyń, co sprawia, że jego odtworzenie jest wyjątkowo trudne. Dlatego dziś skupiamy się przede wszystkim na prostszych konstrukcjach, które mogą stać się punktem wyjścia do bardziej złożonych organów w przyszłości.
Najważniejsze jest dla nas, by powstające w laboratorium konstrukty nie tylko zawierały odpowiednie komórki, lecz także miały właściwości mechaniczne zbliżone do naturalnych – były elastyczne, wytrzymałe i stabilne. Analizujemy je więc wieloetapowo, badając zarówno skład, jak i zachowanie w trakcie hodowli. To długotrwały proces, ale nasze pierwsze publikacje są już w przygotowaniu i pokazują, że idziemy w dobrym kierunku.
Znacznie bliższe realizacji niż pełne organy są prostsze konstrukty – na przykład mięśnie, grubsze fragmenty skóry czy łatki nasercowe. W ich przypadku głównym wyzwaniem jest to, że im grubszy hydrożel, tym gorzej komórki funkcjonują w jego głębszych warstwach. Dlatego obecnie pracujemy nad mniejszymi, mniej skomplikowanymi strukturami, które w przyszłości mogą posłużyć jako baza do rekonstrukcji bardziej złożonych organów, także wątroby.
Jesteśmy coraz bliżej stworzenia tkanek rzeczywiście funkcjonalnych. Owszem, można dziś „wydrukować” serce, ale nadal nie będzie ono działało jak prawdziwe, bo relacje między różnymi typami komórek są niezwykle skomplikowane. Dlatego nasze badania koncentrują się na opracowaniu takich konstruktów, które będą nie tylko funkcjonalne, lecz także możliwe do długotrwałej hodowli i testowania leków. Zależy nam, by po miesiącu czy dwóch zachowywały elastyczność i właściwości porównywalne z naturalnym naczyniem, na przykład aortą czy naczyniami wieńcowymi.
Cały proces jest wieloetapowy i obejmuje dobór komórek, projekt biomateriału, technikę biodruku oraz analizę właściwości mechanicznych. Naszym celem jest uzyskanie struktur jak najbliższych naturalnym tkankom.
Rozmawiając z panią, trudno nie odnieść wrażenia, że ogromnie angażuje się pani w swoje badania. Co panią tak napędza?
– Tak, ja po prostu to uwielbiam, więc trudno mi mówić o pracy „ponad normę” — ja po prostu tak pracuję. Zawsze dużo i intensywnie. Tak było nawet w Hiszpanii, gdzie czasem spędzałam w laboratorium po kilkanaście godzin dziennie.
Bardzo zależy mi na tym, żeby rozwiązywać konkretne problemy badawcze i doprowadzać projekty do końca. Skoro pomysły, które zgłaszam, otrzymały finansowanie i pozytywne recenzje, to znaczy, że mają potencjał. Wierzę, że ich realizacja może otworzyć nowe kierunki w naszej dyscyplinie. Dlatego od początku mam jasno określone cele – wiem, co chcę osiągnąć i jak to zrobić.
Dr Litowczenko-Cybulska. Era biofabrykacji organów
Zazwyczaj zaczynam sama, a zespół formuje się wokół projektu. Teraz cieszę się, że udało mi się zrekrutować bardzo zaangażowane osoby. To niezwykle ważne, żeby członkowie grupy badawczej nie traktowali tego tylko jako pracy czy krótkiego etapu kariery – doktoratu albo postdoka – ale widzieli w tym szansę na realny wpływ na rozwój nauki.
Jeśli dobrze zrealizujemy te projekty, to nie tylko efektem będą publikacje i patenty – ale też prestiż całego zespołu. Staram się wspierać i promować osoby, z którymi pracuję, i naprawdę cieszy mnie, gdy widzę, że dzielą mój entuzjazm. Zespół, który buduję, będzie stopniowo się powiększał – planujemy zatrudnienie postdoków, wykonawców oraz doktorantów i studentów. Dzięki temu możliwe będzie stworzenie stabilnej interdyscyplinarnej grupy badawczej. Ważnym elementem naszej pracy jest współpraca międzynarodowa z wiodącymi ośrodkami w Europie i USA, która przekłada się na wspólne publikacje i nowe kierunki badań. Choć teraz mam sporo obowiązków organizacyjnych – zarówno we współpracach międzynarodowych, jak i tutaj, w CZT – to wciąż chętnie wracam do laboratorium, by osobiście prowadzić eksperymenty. Uwielbiam mikroskopię konfokalną i biodruk 3D, więc jeśli tylko mogę, wracam do pracy z próbkami. Liczę, że tą energią uda mi się zarazić cały zespół. Początki są zawsze trudne, bo trzeba stworzyć grupę, w której oprócz kompetencji jest też dobra energia między ludźmi.
A jeśli chodzi o naukowe marzenie?
– Chciałabym, żeby nasz zespół na UAM stał się naprawdę rozpoznawalny międzynarodowo. Marzę też o tym, by opracowane przez nas grafty naczyniowe znalazły praktyczne zastosowanie – na przykład w koncernach farmaceutycznych, jako modele do testowania leków.
Gdyby nasze badania mogły realnie przyczynić się do poprawy jakości życia pacjentów, zwłaszcza tych z chorobami układu sercowo-naczyniowego, byłoby to dla mnie największą satysfakcją. Każdy zespół ma swoją niszę, a mimo że z moimi zagranicznymi współpracownikami zajmujemy się podobnymi tematami, raczej się wspieramy, niż konkurujemy. W nauce to, moim zdaniem, najważniejsze – współpraca i wzajemne inspirowanie się.