Το δέρμα μας είναι ένα φυσικό θαύμα της βιομηχανικής.

Το μεγαλύτερο όργανο του σώματος, είναι ένα αδιάβροχο αμυντικό σύστημα που προστατεύει από λοιμώξεις. Είναι γεμάτο με ιδρωτοποιούς αδένες που μας κρατούν δροσερούς σε υψηλές θερμοκρασίες. Μπορεί να χρειαστεί σοβαρό χτύπημα - ηλιακά εγκαύματα, γρατσουνιές και γρατζουνιές, πιτσιλίσματα μαγειρικού λαδιού και άλλα ατυχήματα στην καθημερινή ζωή - αλλά αναγεννάται γρήγορα. Σίγουρα, μπορεί να υπάρχουν μόνιμες ουλές, αλλά τα σημάδια μικρότερης ζημιάς τελικά εξαφανίζονται.

Δεδομένων αυτών των προνομίων, δεν είναι περίεργο που οι επιστήμονες προσπάθησαν να αναδημιουργήσουν το δέρμα στο εργαστήριο. Το τεχνητό δέρμα θα μπορούσε, για παράδειγμα, ρομπότ κάλυψης ή προσθετικά για να τους δώσει την ικανότητα να «αισθάνονται» τη θερμοκρασία, να αγγίζουν ή ακόμα και να θεραπεύονται όταν καταστραφούν.

Θα μπορούσε επίσης να είναι σωτήριο. Οι αυτοθεραπευτικές δυνάμεις του δέρματος έχουν όρια. Τα άτομα που υποφέρουν από σοβαρά εγκαύματα χρειάζονται συχνά μεταμόσχευση δέρματος από άλλο μέρος του σώματος. Αν και είναι αποτελεσματική, η διαδικασία είναι επώδυνη και αυξάνει τις πιθανότητες μόλυνσης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να μην έχει μείνει αρκετό άθικτο δέρμα. Ένα παρόμοιο δίλημμα στοιχειώνει στρατιώτες που τραυματίστηκαν στη μάχη ή εκείνους με κληρονομικές δερματικές παθήσεις.

Η αναδημιουργία όλων των υπερδυνάμεων του δέρματος είναι τουλάχιστον δύσκολη. Αλλά την περασμένη εβδομάδα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Wake Forest έκανε ένα μεγάλο βήμα προς το τεχνητό δέρμα που επουλώνει μεγάλες πληγές όταν μεταμοσχεύεται σε ποντίκια και χοίρους.

Η ομάδα χρησιμοποίησε έξι διαφορετικούς τύπους κυττάρων ανθρώπινου δέρματος ως «μελάνη» για να εκτυπώσει τεχνητό δέρμα τριών στρωμάτων. Σε αντίθεση με προηγούμενες επαναλήψεις, αυτό το τεχνητό δέρμα μιμείται στενά τη δομή του ανθρώπινου δέρματος.

Σε μελέτες απόδειξης της ιδέας, η ομάδα μεταμόσχευσε το δέρμα σε ποντίκια και χοίρους με τραύματα στο δέρμα. Τα δερματικά μοσχεύματα εισχωρούν γρήγορα στα αιμοφόρα αγγεία από το περιβάλλον δέρμα και ενσωματώνονται στον ξενιστή. Βοήθησαν επίσης να διαμορφωθεί το κολλαγόνο -μια πρωτεΐνη απαραίτητη για την επούλωση πληγών και τη μείωση των ουλών- σε μια δομή παρόμοια με το φυσικό δέρμα.

«Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η δημιουργία πλήρους πάχους ανθρώπινου βιομηχανικού δέρματος είναι δυνατή και προωθεί ταχύτερη επούλωση και πιο φυσικά εμφανιζόμενα αποτελέσματα». είπε ο συγγραφέας της μελέτης Δρ. Anthony Atala.

Περιμένετε…Τι είναι το πλήρες δέρμα;

Συχνά φανταζόμαστε το δέρμα ως ένα εφαρμοστό σεντόνι που τυλίγεται γύρω από το σώμα. Αλλά κάτω από το μικροσκόπιο, είναι ένα περίπλοκο αριστούργημα βιο-αρχιτεκτονικής.

Ή μου αρέσει να το σκέφτομαι σαν ένα κέικ τριών στρώσεων.

Κάθε στρώμα έχει διαφορετικούς τύπους κυττάρων προσαρμοσμένων στις χαρακτηριστικές λειτουργίες τους. Το ανώτερο στρώμα είναι ο φύλακας. Ένας άμεσος σύνδεσμος με τον έξω κόσμο, έχει τύπους κυττάρων που μπορούν να αντέξουν το υπεριώδες φως, τον ξηρό καιρό και τα επιβλαβή βακτήρια. Στεγάζει επίσης κύτταρα που παράγουν μελάγχρωση. Αυτά τα κύτταρα απορρίπτονται συνεχώς όταν καταστραφούν και αντικαθίστανται για να διατηρήσουν το φράγμα ισχυρό.

Το μεσαίο στρώμα είναι η γέφυρα. Εδώ, τα αιμοφόρα αγγεία και οι νευρικές ίνες συνδέουν το δέρμα με το υπόλοιπο σώμα. Αυτό το στρώμα είναι γεμάτο με κύτταρα που παράγουν τρίχες του σώματος, ιδρώτα και λιπαντικά έλαια - ο όλεθρος οποιουδήποτε είναι επιρρεπής στην ακμή. Ως το ευρύτερο στρώμα, συγκρατείται σφιχτά μεταξύ τους από το κολλαγόνο, το οποίο δίνει στο δέρμα την ευελιξία και τη δύναμή του.

Τέλος, το βαθύτερο στρώμα του δέρματος είναι το «φουσκωμένο τρίχωμα». Φτιαγμένο κυρίως από κολλαγόνο και λιπώδη κύτταρα, αυτό το στρώμα είναι ένας απορροφητής κραδασμών που προστατεύει το δέρμα από τραυματισμούς και βοηθά στη διατήρηση της θερμότητας του σώματος.

Η αναδημιουργία όλων αυτών των δομών και λειτουργιών είναι απίστευτα δύσκολη. Η λύση της Ατάλα; Τρισδιάστατο βιοεκτύπωση.

Δέρμα στο παιχνίδι

Η Atala δεν είναι ξένος στη βιοεκτύπωση.

Το 2016, η ομάδα του ανέπτυξε ένα εκτυπωτής ιστού-οργάνου που μπορεί να τυπώσει μεγάλους ιστούς οποιουδήποτε σχήματος. Χρησιμοποιώντας κλινικά δεδομένα, η ομάδα κατασκεύασε μοντέλα υπολογιστή για να καθοδηγήσει τον εκτυπωτή κατά την εκτύπωση διαφόρων οστικών δομών και μυών. Λίγα χρόνια αργότερα, έκαναν μηχανική βιοεκτυπωτή δέρματος που χρησιμοποίησε δύο τύπους κυττάρων - είτε από το πάνω είτε από το μεσαίο στρώμα - για να επιδιορθώσει άμεσα το τραυματισμένο δέρμα. Αν και το δέρμα μπορούσε να κλείσει μεγάλες πληγές, κατέγραψε μόνο ένα μέρος της φυσικής πολυπλοκότητας του δέρματος.

Η νέα μελέτη χρησιμοποίησε έξι τύπους ανθρώπινων κυττάρων ως βιολίβανο, αναδημιουργώντας την αρχιτεκτονική του δέρματός μας από πάνω προς τα κάτω. Για την κατασκευή του τεχνητού δέρματος, η ομάδα χρησιμοποίησε λογισμικό υπολογιστή να κατευθύνει την τοποθέτηση των κυττάρων σε κάθε στρώμα. Ονομάζεται 3D-extrusion printing, η τεχνολογία χρησιμοποιεί πίεση αέρα για να εκτυπώσει εξαιρετικά εξελιγμένους ιστούς από ένα ακροφύσιο. Ακούγεται περίπλοκο, αλλά είναι λίγο σαν να στύβετε γλάσο διαφορετικών χρωμάτων για να διακοσμήσετε ένα κέικ.

Ως πρώτο βήμα, η ομάδα εναιώρησε κύτταρα σε μια υδρογέλη κατασκευασμένη κυρίως από μια πρωτεΐνη που εκκρίνεται από το ήπαρ. Σε αντίθεση με τα συνθετικά υλικά, αυτή η βάση που παράγεται από το σώμα αυξάνει τη βιοσυμβατότητα. Στη συνέχεια, η ομάδα εκτύπωσε ένα τρισδιάστατο μόσχευμα δέρματος, στρώμα προς στρώμα, μετρώντας μια ίντσα σε κάθε πλευρά - λίγο μεγαλύτερο από έναν κύβο ζάχαρης.

Το βιοεκτυπωμένο δέρμα διατήρησε τα τρία του στρώματα για τουλάχιστον 52 ημέρες στο εργαστήριο και ανέπτυξε περιοχές με μελάγχρωση και φυσιολογική αποβολή.

Ενθαρρυμένη, η ομάδα στη συνέχεια δοκίμασε το τεχνητό δέρμα σε ποντίκια. Όλα τα τραύματα που θεραπεύτηκαν με τα τεχνητά μοσχεύματα δέρματος επουλώθηκαν πλήρως σε δύο εβδομάδες, σε αντίθεση με εκείνα που θεραπεύτηκαν μόνο με την υδρογέλη ή αφήνοντας το τραύμα να επουλωθεί φυσικά.

Το τεχνητό δέρμα ήταν ιδιαίτερα καλό στο χτίσιμο του ανώτερου προστατευτικού στρώματος του δέρματος, σχηματίζοντας δομές που έμοιαζαν με φυσική θεραπεία. Παρήγαγε επίσης κολλαγόνο και -το πιο σημαντικό- το έπλεξε σε μια δομή σαν ψάθινο καλάθι παρόμοια με το ανθρώπινο δέρμα.

Το βιοεκτυπωμένο δέρμα στρατολόγησε περαιτέρω τα κύτταρα των αιμοφόρων αγγείων των ποντικών, δημιουργώντας ένα δίκτυο μικρών αγγείων μέσα στο μόσχευμα. Χρησιμοποιώντας μια κηλίδα για την παρακολούθηση των ανθρώπινων πρωτεϊνών στο μόσχευμα, η ομάδα βρήκε τα μεταμοσχευμένα κύτταρα ενσωματωμένα με τον ξενιστή τους στο μεσαίο στρώμα του δέρματος.

Τρίζοντας από;

Τα ποντίκια έχουν πιο λεπτό δέρμα από τον άνθρωπο. Τα δέρματα των χοίρων, αντίθετα, είναι πιο κοντά στο δικό μας. Σε μια δεύτερη δοκιμή, η ομάδα αναβάθμισε την τεχνολογία για μεταμόσχευση σε χοίρους. Εδώ, συγκέντρωσαν τέσσερις τύπους κυττάρων από χοίρους μέσω βιοψιών - συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που αποτελούν το εξωτερικό στρώμα του δέρματος, το κολλαγόνο, τα αιμοφόρα αγγεία και τον λιπώδη ιστό - και τα μεγάλωσαν σε έναν βιοαντιδραστήρα για 28 ημέρες.

Μερικές παρτίδες απέτυχαν. Κατά μέσο όρο, ωστόσο, το παρασκεύασμα παρήγαγε αρκετά κύτταρα για να διπλασιάσει το μέγεθος του αρχικού μοσχεύματος για μεγαλύτερη κάλυψη. Το τεχνητό έμπλαστρο που προέκυψε είχε περίπου το μέγεθος του προσώπου ενός κύβου του Ρούμπικ και ταίριαζε με το πάχος του δέρματος του χοίρου.

Όπως τα αποτελέσματα στα ποντίκια, τα μοσχεύματα έκλεισαν γρήγορα μεγάλες πληγές χωρίς το συνηθισμένο φαινόμενο «σφίξεως» -όπου το δέρμα συστέλλεται όπως το σταφύλι σε μια σταφίδα- που οδηγεί σε ουλές.

Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτό είναι πιθανό επειδή το μόσχευμα ενίσχυσε τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την επούλωση τραυμάτων, με μερικά να ρυθμίζουν επίσης τις ανοσολογικές αποκρίσεις που βοηθούν στην ανάπτυξη νέων αιμοφόρων αγγείων και στη μείωση των ουλών.

Το τεχνητό δέρμα είναι πολλά υποσχόμενο, αλλά ακόμα είναι στα σπάργανα. Όταν εμβολιάστηκε σε χοίρους, δεν παρήγαγε αξιόπιστα μελάγχρωση, κάτι που θα μπορούσε να είναι ανησυχητικό για εκείνους με πιο σκούρες αποχρώσεις δέρματος. Τα μοσχεύματα επίσης δεν παρήγαγαν τρίχες σώματος, αν και περιείχαν δομές για την ανάπτυξή τους στο βιομελάνι. Αν και μπορεί να μην είναι το χειρότερο (όχι άλλο ξύρισμα!), τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι υπάρχουν ακόμα πολλά να μάθουμε.

Για την Atala, η προσπάθεια αξίζει τον κόπο. «Η ολοκληρωμένη επούλωση του δέρματος είναι μια σημαντική κλινική πρόκληση, που επηρεάζει εκατομμύρια άτομα σε όλο τον κόσμο, με περιορισμένες επιλογές», είπε. Η μελέτη δείχνει ότι η εκτύπωση πλήρους κλίμακας δέρματος είναι δυνατή για τη θεραπεία καταστροφικών πληγών σε ανθρώπους.

Πίστωση εικόνας: Ένα κανονικό κύτταρο δέρματος κάτω από το μικροσκόπιο. Torsten Wittmann, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σαν Φρανσίσκο (μέσω NIH/Flickr)

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/10/09/bioprinted-skin-heals-wounds-in-pigs-with-minimal-scarring-humans-are-next/