Para bioteknologi merancang metode baru untuk mencetak jantung embrionik 3-D dan arteri koroner

Meskipun pencetakan 3-D telah ada selama beberapa dekade terakhir, sebagian besar dokter sejauh ini menggunakan teknologi tersebut untuk mereplikasi model manusia khusus dengan bahan keras untuk memfasilitasi perencanaan pembedahan. Namun di laboratorium di seluruh dunia, para ilmuwan berupaya memajukan metode pencetakan bahan lunak untuk penelitian dan suatu hari nanti merancang organ khusus untuk pasien yang membutuhkan transplantasi.

Adam Fienberg, seorang profesor bioteknologi dan ilmu material di Universitas Carnegie Mellon, adalah salah satu ilmuwan yang mendorong batasan dalam pencetakan 3-D. Dalam jurnal edisi 23 Oktober Kemajuan ilmu pengetahuanPada hari Selasa, tim Feinberg menerbitkan rincian metode baru yang melibatkan pencetakan gel kolagen 3-D di dalam gel lain yang membantu mendukungnya. Untuk penelitian mereka, mereka menggunakan printer 3-D sumber terbuka untuk membuktikan metode ini berhasil, menunjukkan bahwa teknik tersebut membantu mereka mencetak arteri koroner dan jantung embrio secara 3-D.

“Kami terinspirasi oleh Jell-O,” Feinberg, penulis utama studi tersebut, mengatakan kepada FoxNews.com tentang teknik tersebut. “Jika Anda pernah melihat buah-buahan bergelantungan di Jell-O, Anda pasti tahu bahwa Jell-O menyimpan benda-benda di dalamnya. Kami ingin membuat sesuatu seperti cetakan Jell-O dimana kami bisa memasukkan sesuatu ke dalamnya.”

Meskipun ide untuk mencetak bahan lunak selalu menjadi pemikiran utama para ilmuwan, menemukan cara yang efisien untuk menyelesaikan tugas tersebut merupakan suatu tantangan. Hal ini karena – tidak seperti pencetakan 3-D pada bahan keras yang mempertahankan bentuknya saat disentuh – pencetakan 3-D pada bahan lunak melibatkan penempatan satu lapisan dan lapisan lainnya di atas sambil memastikan bahwa bagian bawah, yang dapat ditempa, tetap pada posisinya dengan sempurna.

Tim Feinberg menemukan jalan keluar dari kendala tersebut dengan menggunakan “mandi pendukung” yang terbuat dari bubur gelatin, yang merupakan campuran semi-cair. Suspensi ini mengandung partikel mikro-gel yang secara kolektif bertindak seperti pasir basah dalam kemampuannya menyesuaikan diri dengan benda yang bersentuhan dengannya. Dengan kata lain, larutan akan berperilaku seperti zat cair jika dipindahkan, tetapi akan berperilaku seperti benda padat jika tidak dipindahkan.

Para peneliti mengisi cawan Petri dengan wadah pendukung, memasukkan jarum suntik ke dalamnya, dan mulai mencetak bahan lembut seperti kolagen dan fibrin secara 3D, yang mirip dengan komponen biologis.

“Apa yang telah kami lakukan adalah menciptakan banyak bukti konsep, yang pada dasarnya menunjukkan bahwa kami dapat menciptakan hal-hal seperti perancah untuk pembuluh darah,” kata Feinberg. “Hal ini penting karena pembuluh darah inilah yang tersumbat selama serangan jantung, dan saat ini tidak ada cara yang baik untuk memperbaikinya.”

Penyakit jantung adalah pembunuh utama di dunia dan menyebabkan satu dari empat kematian di Amerika Serikat setiap tahunnya, menurut Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit (CDC). Pilihan pengobatan utama untuk penyakit ini meliputi pengobatan, serta operasi bedah dan non-bedah. Dalam kasus yang parah, pasien mungkin memerlukan transplantasi jantung, yang bergantung pada ketersediaan organ donor yang sesuai.

Dengan metode baru mereka, tim Feinberg mendemonstrasikan bukti konsep serupa untuk jantung embrio. Dia mengatakan mereka mengejar ide tersebut untuk mempelajari cara menumbuhkan bagian jantung manusia untuk memperbaiki kerusakan pada organ tersebut – suatu prestasi yang dia harapkan akan dicapai oleh para ilmuwan dalam dekade mendatang, namun hal ini tidak dapat diterapkan dalam lingkungan klinis tanpa persetujuan dari pihak berwenang. Badan Pengawas Obat dan Makanan (FDA).

“Ada banyak hal yang bergerak,” kata Feinberg. “Apa yang kami bangun adalah alat untuk membangun jaringan, namun kami juga membutuhkan sel yang tepat untuk ditempatkan di sana. Biologi sel induk perlu membangun sel yang tepat sehingga kita dapat membangun sel jantung manusia yang besar untuk dimasukkan ke dalam perancah.”

Christine Mummery, profesor biologi perkembangan dan ketua departemen anatomi dan embriologi di Pusat Medis Universitas Leiden di Belanda, sedang mempelajari cara mengubah sel induk menjadi sel otot jantung. Penelitiannya suatu hari nanti mungkin membantu para ilmuwan untuk menguji bagaimana kinerja obat tertentu pada orang dengan kelainan genetik. Namun sejauh ini, timnya hanya menggunakan pencetakan 2-D, yang menjaga sel-sel dalam keadaan belum matang, sehingga membuat pemodelan penyakit jantung yang realistis menjadi sulit.

“Kami percaya jika kami menempatkannya dalam 3-D dan membiarkannya berada dalam semacam ruang hampa dan meregangkannya, maka mereka bisa menjadi lebih seperti sel dewasa,” kata Mummery, yang tidak terlibat dalam penelitian Feinberg saat ini , kepada FoxNews. .com. “(Perbedaan) itulah yang mungkin bisa dicapai oleh Adam (Feinberg).”

Jordan Miller, asisten profesor bioteknologi yang berspesialisasi dalam bioprinting di Rice University, yang juga tidak terlibat dalam penelitian ini, menyebut metode Feinberg “menarik.”

“Mereka benar-benar mampu melakukan hal-hal yang tidak dapat Anda lakukan melalui krisis atau melalui program inkjet dan stereolitografi,” yang merupakan tiga metode lain untuk bahan pencetakan 3-D, kata Miller kepada FoxNews.com. “Mereka tidak hanya membuat struktur yang sulit atau tidak mungkin dibuat, dan metode tersebut tidak dapat dilakukan, namun mereka juga melakukannya dengan material yang secara historis tidak dapat bekerja dengan baik dengan metode tersebut.”

“Pekerjaan ini mengambil langkah yang sangat penting dalam menunjukkan kemampuan untuk membuat beberapa arsitektur kompleks yang ditemukan di dalam tubuh,” tambahnya, “dan kami akan sangat bersemangat untuk melihat apakah struktur ini dapat memiliki ketahanan mekanis, integritas, dan fungsi yang sama. dari jaringan tempat mereka terstruktur.”

Feinberg berharap dalam dua tahun ke depan metode mandi pendukung timnya dapat diterapkan pada pembuatan jaringan otot jantung manusia yang dapat diuji terhadap obat-obatan eksperimental. Standar persetujuan FDA saat ini melibatkan pemeriksaan obat pada hewan pengerat terlebih dahulu, namun reaksi hewan pengerat terhadap obat tidak dapat memprediksi bagaimana perilaku hewan pengerat tersebut pada manusia.

“Alasan nomor satu (obat-obatan) gagal dalam penelitian adalah karena toksisitasnya terhadap jantung dan hati, jadi jika Anda dapat menyaring obat-obatan tersebut sebelum uji klinis, Anda dapat mengetahui dengan lebih cepat apakah akan ada efek samping dan apakah efek tersebut akan bertahan. sebagai terapi pada manusia,” ujarnya.

Feinberg menunjukkan bahwa strategi ini dapat digunakan untuk membantu para ilmuwan mengidentifikasi hubungan antara karakteristik koroner tertentu dan reaksi obat yang merugikan pada kelompok yang luar biasa juga. Misalnya, beberapa jenis kemoterapi sangat beracun sehingga pasien memerlukan transplantasi jantung. Meskipun efek ini hanya terjadi pada sebagian kecil populasi, dokter dapat meningkatkan strategi pengobatannya jika mereka dapat mengidentifikasi kelompok seperti ini.

“Dalam hal apakah kita akan membuat jantung utuh untuk transplantasi, hal ini masih jauh,” kata Mummery, ilmuwan sel induk dari Universitas Leiden. “Tetapi dalam ilmu pengetahuan, hal tersebut bukanlah hasil akhirnya; itulah yang Anda kembangkan selama ini dan apa yang Anda pelajari.”