Druk 3D w medycynie regeneracyjnej: tkanki i narządy in situ 🧬🏥

Część 1: Od marzenia do prototypu 💭

W 2022 roku w Centrum Medycyny Regeneracyjnej Uniwersytetu Jagiellońskiego, pod kierownictwem prof. dr hab. Katarzyny Nowak, narodził się projekt „LivePrint”, którego celem było opracowanie technologii druku 3D tkanek bezpośrednio in situ, czyli w miejscu operacji, bez potrzeby długotrwałej hodowli w inkubatorze. Wcześniejsze próby bioprintingu ograniczały się do drukowania niewielkich fragmentów organów w laboratorium, lecz LivePrint miało na celu rewolucję — umożliwić chirurgowi podczas zabiegu „wydrukowanie” fragmentu tkanki mięśniowej, chrząstki czy nawet małego naczynia krwionośnego, idealnie dopasowanego do anatomii pacjenta. 🚀

Pierwsze miesiące pracy to intensywne testy bioinków — mieszanin hydrogeli, komórek macierzystych pacjenta i czynników wzrostu. Zespół eksperymentował z alginianem, kolagenem, fibronektyną oraz nanocząstkami hydroksyapatytu, uzyskując optymalne właściwości takich mieszanek: odpowiednią lepkość do ekstrudowania, wytrzymałość mechaniczną i biodegradowalność. Było to kluczowe, aby wydrukowana tkanka mogła po kilku tygodniach zostać zastąpiona przez nową, autologiczną — zbudowaną przez organizm pacjenta. 🧪

W kwietniu 2023 roku zespół zbudował pierwszy prototyp mobilnego bioprinтера — zestaw do sterylnego druku in situ, mieszczący system mikropomp, mikroekstruder i moduł wizualizacji 3D. Całość mieściła się w niewielkiej komorze drzewostopu — urządzenie można było zabrać na salę operacyjną. Kluczowym elementem była głowica o średnicy 2 mm, zdolna do precyzyjnego nanoszenia warstw bioinku z rozdzielczością 20 μm. Kamera OCT (optyczna koherentna tomografia) wbudowana nad głowicą pozwalała na oglądanie wydruku warstwa po warstwie, zapewniając dokładne pozycjonowanie i ocenę integralności tkanek. 🎥

Pierwszy test na modelu zwierzęcym przeprowadzono w lipcu 2023: królikowi wydrukowano fragment chrząstki kolanowej o wymiarach 8×5×2 mm, wypełniając ubytek utworzony w trakcie artroskopii. Po 8 tygodniach obserwacji histologicznej stwierdzono, że wydruk zawierał dobrze uformowane chondrocyty oraz matrycę kolagenową, a integracja z otaczającą tkanką była niemal całkowita. Wyniki opublikowano w „Journal of Regenerative Medicine”, co otworzyło drogę do badań klinicznych. 📈

Część 2: Wyzwania kliniczne i pierwsze operacje 🏥

We wrześniu 2024 roku odbyła się pierwsza humanitarna operacja z użyciem LivePrint: u 54-letniego pacjenta z zaawansowanym owrzodzeniem i ubytkiem skóry na przedramieniu wydrukowano in situ rusztowanie z bioinku na bazie kolagenu i komórek fibroblastów pobranych od pacjenta. Chirurdzy pod nadzorem prof. Nowak wprowadzili głowicę bioprinтера w miejsce ubytku i w ciągu 45 minut wypełnili ubytek trójwymiarową strukturą, wiernie odtwarzając kontury rany. Pacjent po 2 tygodniach przyjął się bez odczynu zapalnego, a po 6 tygodniach w miejscu wydruku powstała nowa, dobrze unaczyniona skóra. 🌟

W międzyczasie naukowcy rozwiązali kluczowe problemy kliniczne: zapewnienie sterylności sprzętu i bioinków, opracowanie procedur GMP (Good Manufacturing Practice) dla bioinków oraz certyfikację medyczną urządzenia. System musi pracować w warunkach sali operacyjnej — bez kontaminacji krzyżowej — co wymagało zastosowania jednorazowych końcówek głowicy i zintegrowanych filtrów HEPA w module sterylizacji powietrza. 🧼

Równolegle rozwijano procedury regeneracji naczyń krwionośnych in situ. W eksperymentach przedklinicznych drukowano w zwierzętach mikrokanały o średnicy 200 μm, które następnie wyściełano śródbłonkiem pochodzącym od biorcy. Kanały łączyły się z istniejącym ukrwieniem, co umożliwiło odżywienie większych fragmentów tkanek. To osiągnięcie zapowiadało druk małych fragmentów wątroby czy trzustki in situ, które wymagają gęstej sieci kapilar do funkcji metabolicznych. 🩸

Na początku 2025 roku rozpoczęto pilotażową serię zabiegów leczenia owrzodzeń cukrzycowych: grupa 10 pacjentów otrzymała wydrukowane in situ rusztowania z mieszanki kolagen-alginian, nasączone czynnikami wzrostu VEGF i FGF. Wyniki były obiecujące — u 8 pacjentów zaobserwowano skrócenie czasu gojenia z 16 do 8 tygodni oraz zmniejszenie ryzyka amputacji o 70%. Te dane omówiono na Europejskim Kongresie Medycyny Regeneracyjnej w Berlinie. 📊

Część 3: Perspektywy i etyka przyszłości 🧠✨

Druk 3D tkanek in situ to nie tylko technologia — to szansa na redefinicję opieki medycznej. W dłuższej perspektywie LivePrint ma umożliwić drukowanie fragmentów serca przed zawałem, wstawianie miniaturowych pęcherzyków trzustkowych dla chorych na cukrzycę typu 1 oraz odrębną regenerację uszkodzeń rdzenia kręgowego. W tym celu rozwijane są bioinki z komórek i matrycy z recyklingowanych materiałów, co zmniejszy koszty i zwiększy dostępność technologii. ❤️‍🩹

Z towarzyszącymi wyzwaniami prawnymi i etycznymi wiąże się konieczność opracowania ram regulacyjnych. Kto odpowiada za ewentualne powikłania — chirurg, producent bioinku czy algorytm kontrolujący druk? Prof. Nowak współpracuje z Krajową Radą Bioetyczną, by stworzyć wytyczne: pełna identyfikowalność partii bioinków, ścisła kontrola parametrów druku oraz informowana zgoda pacjenta obejmująca wszystkie ryzyka i etapy procedury. ⚖️

Jednocześnie trwają prace nad miniaturowymi bioprinterami in situ, które zmieszczą się w endoskopie, umożliwiając drukowanie małych struktur wewnątrz jam ciała — np. rusztowań do regeneracji błony śluzowej przewodu pokarmowego lub trombektomii chirurgicznej w naczyniach mózgowych. Te projekty wymagają ultraszybkich bioinków i precyzyjnych systemów nawigacji obrazowej. 🧬

Jak podsumowuje prof. Nowak:

„Druk 3D in situ to przyszłość chirurgii regeneracyjnej — personalizowane rozwiązania budowane warstwa po warstwie, dokładnie tam, gdzie ich potrzebuje ludzki organizm. To medycyna jutra, dostępna już dziś.”