Drukowanie 3D Przyszłością w Medycynie - konferencja

  W ubiegły weekend mieliśmy przyjemność uczestniczyć w drugiej konferencji z cyklu: „Drukowanie 3D Przyszłością w Medycynie”, zorganizowane przez Centrum Edukacji Medycznej. Mimo, iż było to spotkanie jednodniowe, uczestnicy otrzymali pełen przegląd medycznych zastosowań druku trójwymiarowego, a jednocześnie wykładowcy zaprezentowali kilka specjalistycznych rozwiązań stosowanych w ich profesjach. Medycyna Regeneracyjna medialnie patronowała nad tym wydarzeniem.

Prezentacja prof. Wojciecha Święszkowskiego

  













Jednym z zaproszonych specjalistów był Prof. nzw. dr hab. Wojciech Święszkowski z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, który wraz z Prof. dr hab. nauk medycznych Pawłem Małdykiem otworzył spotkanie i mu przewodniczył. Już na wstępie opowiedzieli o materiałach wykorzystywanych w implantologii oraz o starych i nowych metodach produkcji implantów uwzględniając selektywne spiekanie laserowe i elektronowe, obróbkę skrawaniem, osadzanie topionego materiału (FDM), stereolitografię i szybkie prototypowanie, wraz z ich szczegółowym opisem. Omówili także kierunki rozwoju drukowania trójwymiarowego, wymieniając między innymi: wykorzystanie modeli do planowania operacji, przygotowanie protez z różnych tkanek i materiałów, drukowanie organów, biodrukowanie czy też rusztowania tkankowe i wykorzystanie hydrożeli imitujących macierz pozakomórkową. Jako przykład ciekawego zastosowania druku 3D wzięty z życia, podali wydruk 'skóry' na ranę pooparzeniową, podawany bezpośrednio na sali chirurgicznej.

Drukowanie 3D w transplantologii 

  Następne wystąpienie dotyczyło zastosowania modeli trójwymiarowych w chirurgii rekonstrukcyjnej, a swą prezentację przedstawił dr n. med. Łukasz Krakowczyk z zespołu Profesora Maciejewskiego, który dokonał pionierskiego przeszczepu twarzy w Centrum Onkologii Instytutu im. M. Skłodowskiej Curie w Gliwicach. Wykład rozpoczął od omówienia rodzajów i technik rekonstrukcji, historiach resekcji, implantologii regeneracyjnej oraz planowaniu złożonych operacji. Następnie, opisując szczegółowo przygotowania do wspomnianej operacji przeszczepu twarzy i jej przebieg, pokazał jak istotne jest właśnie wykorzystanie druku 3D w planowaniu przedsięwzięcia chirurgicznego o ogromnej komplikacji (pełna rekonstrukcja twarzy, operacja jednocześnie na biorcy i dawcy). Przyznał, że bez posiadania tomografów głowy pacjenta (przygotowanych kilka miesięcy wcześniej przez pacjenta, z powodu migrenowych bólów głowy) i możliwości szybkiego przygotowania modelu, operacja nie miałaby zbyt wielkich szans na sukces. Na sam koniec wspomniał, iż największymi obecnie problemami, z którymi się borykają, to brak dawców do przeszczepów i drogie koszta wydruków trójwymiarowych ograniczające ich możliwości, co daje pole do popisu naukowcom, inżynierom i producentom drukarek.

  Jeszcze przed pierwszą przerwą dr n. med. Michał Wszoła (transplantolog, chirurg), kontynuował temat możliwych kierunków rozwoju transplantologii (perfuzja hydrotermiczna, hodowla narządów, biodrukowanie, przeszczepy narządów wewnętrznych). Następnie przeszedł do rozwiązań stosowanych przez jego zespół w walce z cukrzycą związanych głównie z przeszczepem wysepek trzustkowych. Tutaj dość istotne jest wykorzystanie materiałów imitujących macierze zewnątrzkomórkowe, decelularyzacja wybranej struktury wewnątrzkomórkowej i biodrukowanie płatków trzustkowych. 

  W południe rozpoczął się blok dotyczący „najnowszych rozwiązań zastosowania druku 3D”, który był poświęcony m.in. drukowanym gorsetom ortopedycznym i protezom nogi, gdzie wykorzystywane jest projektowanie parametryczne i druk wielokomponentowy, a duże elementy składane są z mniejszych jak swoiste puzzle. 

Komórki i rusztowania

  Kolejny z zaproszonych naukowców, Doktor Eugeniusz K. Machaj z Centrum Onkologii (Instytut Marii Sklodowskiej-Curie w Warszawie), poruszył bardzo istotną sprawę dla medycyny regeneracyjnej - opowiedział o pozyskiwaniu i namnażaniu in vitro dużych ilości komórek macierzystych dla zastosowań medycznych technologii trójwymiarowych. Wstęp obejmował przedstawienie schematu zastosowania rusztowania biodegradowalnego; przygotowanie do niego komórek, ich izolację, wykorzystanie podłoży różnicujących komórki macierzyste w pożądanym kierunku ich rozwoju, zasiedlenie bioimplantu, biodruk 3D. Konstruktywną dyskusję rozpoczął temat rodzajów i wyboru komórek macierzystych, ich źródła pochodzenia (np. problematyka i przechowywanie fragmentów sznura pępowinowego oraz pozyskiwanie komórek macierzystych z tkanki tłuszczowej). Całość zakończył aspekt prawny pracy z komórkami macierzystymi i opis drogi biurokratycznej jaką muszą przejść naukowcy pozyskujący tkanki, izolujący komórki do hodowli i namnażania oraz dokonujący przeszczepów komórek. Tematykę bankowania tkanek i komórek do druków 3D zamknął dr n. med. Artur Kamiński, Dyrektor Krajowego Centrum Bankowania Tkanek i Komórek.

  Temat wytwarzania gotowego do zaimplantowania bioimplantu rozwinęła jeszcze tego dnia mgr. inż. Barbara Ostrowska, która świetnie uzupełniła temat i omówiła za szczegółami cały cykl planowania produkcji z wykorzystaniem rusztowania hybrydowego (kompozyt polimer+ceramika, polimer+hydrożel itd.). 

Druk 3D w weterynarii i stomatologii

  Doktor nauk weterynaryjnych Igor Bissenik opowiedział o aspektach zastosowania druku trójwymiarowego w weterynarii oraz własnych doświadczeniach w implantologii zwierząt. Tu również druk 3D odgrywa główną rolę przy planowaniu operacji, ale jest także istotny w przygotowaniu odpowiedniego materiału „na miarę”, gdzie wielkość pacjentów (np. różne rasy psów) może się bardzo różnić. Ciekawym zastosowaniem jakie przedstawił są wszczepy rozpychające do korekcji układu kostnego, wprowadzane w nacięcie kości.

  Ostatnią, ale także bardzo ciekawą i ważną prezentację, przedstawił lek. dent. Łukasz Zadrożny z Zakładu Propedeutyki i Profilaktyki Stomatologicznej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, który opowiadał o drukowaniu trójwymiarowym w stomatologii oraz chirurgii stomatologicznej. Okazuje się, ze literatura prezentująca zastosowania stomatologiczne druku 3D jest bardzo uboga, głównie wykorzystywany jest w planowaniu operacji, ortodoncji, przygotowaniu wydruków modeli szczęki pacjenta. W prezentacji zobaczyliśmy jednak kolejne zastosowania jakimi są drukowane markery pomocnicze w operacjach oraz pozycjonery, ułatwiające szybkie, precyzyjne i niemalże automatyczne wprowadzanie wierteł, co znacznie ogranicza czas przeprowadzania operacji. 
 

Przykłady medycznych wydruków 3D

  

  Konferencja odbyła się 7 marca 2015 w Warszawie  w Medycznym Centrum Konferencyjnym (ul. Pory 78, cemed@cemed.pl). Spotkanie rozpoczęło się przy pełnej sali, do której, z braku miejsc, organizatorzy musieli donosić krzesła. Praktycznie do ostatniego punktu programu był komplet uczestników, co wraz z interesującą dyskusją kończącą, na pewno można uznać za wyznacznik sukcesu tej konferencji.

Autor: Przemysław Oberbek

Wywiad z prof. Dietmarem Hutmacherem z Queensland University of Technology oraz dr Martinem Ehrbarem z Uniwersytetu w Zurychu

Panie Profesorze, pracuje Pan głównie w dziedzinie regeneracji kości. Czy zajmuje się Pan także badaniami nad innymi tkankami?

Prof. Dietmar Hutmacher, "Cosmos Magazine"

Dietmar Hutmacher: Tak,  prowadzę również badania nad regeneracją innych tkanek, ale jednym z głównych kierunków jest ten dotyczący inżynierii tkanki kostnej.

 
 


 
Niektóre z pańskich badań osiągnęły już kliniczny stopień zaawansowania. Czy ciężko jest przenieść wyniki badań laboratoryjnych do zastosowania klinicznego? Czy większe wyzwanie stanowi biologia czy aprobaty różnych instytucji?

D.H.: To jest tak trudne, jak twarde są kości. Trzeba opracować program badawczy, który trwa zazwyczaj około 5 do 7 lat zanim pewien koncept przerodzi się w terapię, którą możemy zastosować u pacjentów. Proces zaczyna się od zaprojektowania odpowiedniego rusztowania, potem przetestowania go in vitro, następnie sprawdzenia go laboratoryjnie na małych zwierzętach, a potem jeszcze na dużych zwierzętach jako na modelu przedklinicznym. Obserwacje w tej ostatniej fazie muszą trwać co najmniej rok, a potem kolejny rok to analizy danych, które pozwalają przygotować terapię do klinicznego zastosowania. Tak więc, jest to długi proces, ale j również dający wiele satysfakcji, gdy widzisz, że to, co stworzyłeś pewnego dnia naprawdę przyniesie korzyści pacjentom, a opracowana technologia przywróci pełną sprawność ich kościom.

Pracował Pan w Niemczech, Singapurze, a  obecnie w Australii. Jakie są różnice w sposobie pracy naukowca w tych krajach?

 
D.H.: Cóż, poziom nauki zawsze w pewien sposób zależy od tego w jaki sposób jest wykonywana oraz od środowiska kulturowego, w którym znajduje się naukowiec. Nie ma co ukrywać, że występuje wyraźna różnica kulturowa między Niemcami, Singapurem i Australią, co z pewnością ma wpływ na badania oraz na naukę i mogłem to zaobserwować w różnych laboratoriach, w których pracowałem. Jednak obecnie wiele grup badawczych ma międzynarodowy skład. Na przykład w mojej grupie w Australii na 50 doktorantów tylko dwóch jest Australijczykami, reszta pochodzi z Niemiec, Szwajcarii, Francji, Indii czy Chin. To samo w sobie również wpływa na to jak prowadzone są badania. 

W swojej prezentacji mówił Pan nie tylko o regeneracji kości, ale także o implantach piersi. Czy pańskie badania są zorientowane bardziej na rekonstrukcję tkanki zniszczonej w wyniku wypadku lub choroby czy raczej do zastosowań w medycynie estetycznej?

D. H.: Badania znajdą zastosowanie w obu tych obszarach. Jednym z nich na pewno będzie chirurgia estetyczna i to jest obszar, w którym wdrożenie takiej procedury będzie znacznie łatwiejsze, ponieważ kobiety, które powiększają chirurgicznie piersi są zwykle młode, zdrowe i mają bardzo duży potencjał regeneracyjny. To na pewno pozwoli rozwinąć się programowi zastosowania inżynierii tkankowej do powiększania piersi, nad którym pracuję. Jednak bardziej satysfakcjonująca, ale także będąca większym wyzwaniem, będzie jego aplikacja u kobiet, które wymagają rekonstrukcji piersi z powodu mastektomii. W takiej sytuacji tkanki piersi są usuwane, ponieważ są objęte procesem nowotworowym. Przypadki takie są bardziej skomplikowane, ponieważ pacjentki zazwyczaj przechodzą nie tylko operację, ale są także poddawane chemioterapii lub radioterapii by zabić wszystkie komórki nowotworowe. Tego typu leczenie uderza jednak nie tylko w chore komórki, ale także w zdrowe tkanki i ma wpływ na potencjał regeneracyjny organizmu. Zatem zastosowanie tego typu terapii do rekonstrukcji będzie znacznie trudniejsze niż w przypadku zdrowych pacjentek, które powiększają sobie piersi. Moja strategia zakłada rozwój w obu kierunkach, ale zaczynając od zastosowania w chirurgii estetycznych, ponieważ w niej dużo, dużo szybciej można osiągnąć efekty. Dzięki temu, wykonując mniej skomplikowane zabiegi zdobędziemy także doświadczenie, które pozwoli nam potem zaaplikować tę technologię także w bardziej wymagających przypadkach kobiet, które przeszły raka piersi. 

Teraz pytanie do doktora Ehrbara. W swojej prezentacji mówił Pan o czynnikach wzrostu. To bardzo istotne zagadnienie w przypadku rekonstrukcji tkanek u chorych na raka, ponieważ te czynniki wzrostu może powodować nawrót procesów nowotworowych. Jak Pana zdaniem poradzić sobie z tym problemem w inżynierii tkankowej?

Dr Martin Ehrbar, Universität Zürich

 Martin Ehrbar: Sądzę, że w przypadku stosowania czynników wzrostu bardzo ważna jest dokładna kontroli ich użycia. Nie można ich przedawkować, ale raczej dostarczyć je bardzo powoli, ale w sposób ciągły. Dlatego staramy się tworzyć materiały, które powoli uwalniają te czynniki. Jest to aspekt szczególnie istotny w klinicznym zastosowaniu.
 Jednak czynniki wzrostu często stosuje się także do badań in vitro. Moje laboratorium jest najbardziej zainteresowane stworzeniem modeli badawczych rozwoju tkanek oraz ich gojenia się w warunkach pozaustrojowych, by móc porównać procesy in vitro i in vivo, by lepiej zrozumieć na czym one polegają. 

Czy Wasza praca ma raczej stworzyć modele badawcze leków czy znajdzie także zastosowanie kliniczne?

  M.E.: Na tym etapie na pewno nie będzie miała zastosowania klinicznego. W tej chwili staramy się na przykład zrozumieć, dlaczego leczenie kliniczne z wykorzystaniem BMP (bone morphogenetic protein – białka morfogenetyczne kości) nie działa zgodnie z oczekiwaniami wynikającymi z badań przedklinicznych. Staramy się zatem znaleźć mechanizm, który jest tego przyczyną. Dlaczego duże ilości BMP nie wywołują pożądanego efektu zdrowotnego. Nasze badania mogą się przyczynić do zmniejszenia ilości  BMP stosowanych w leczeniu. Chcemy się dowiedzieć jak można zredukować jego użycie, tak by terapia nadal była skuteczna.

A więc jest to rodzaj symulacji procesu leczenia?

  M. E.: Tak. W tym sensie tak. Kładziemy duży nacisk na zrozumienie tego  co przyczynia się do procesu gojenia i dlaczego pewne jego elementy nie działają.

Teraz może pytanie o druk 3D, o biodrukowanie, bo to jest bardzo ciekawy obszar...

D.H.: …genialny…

  …genialny. W Internecie można znaleźć filmy pokazujące drukowania narządów i tak dalej ...

M. E.: …drukowanie wszystkiego. 

A nad czym właściwie pracuje Pana laboratorium jeśli chodzi o biodrukowanie?

 
M.E.: Jeśli chodzi o biodrukowanie to w tej chwili staramy się tworzyć konstrukcje hydrożelowe, początkowo w 2D i może później w 3D. Drukowanie z materiałów takich jak hydrożel nie jest jednak łatwe, więc wszystkie procedury opracowane dla szybkiego prototypowania, musiałby być wymyślone na nowo by szybkim czasie tworzyć naprawdę trójwymiarowe konstrukcje. Trzeba by zatem zastosować inne podejście niż obecnie powszechne drukowanie warstwa po warstwie. Nie sądzę, żebyśmy na tym etapie potrafili tworzyć trójwymiarowe konstrukcje z materiałów takich jak hydrożel. 

Czy przewiduje Pan kliniczne zastosowanie technologii druku 3D, nad którymi pracujecie czy znajdą one zastosowanie raczej w testowaniu leków, w której to dziedzinie pojawiły się już firmy oferujące tego typu zastosowanie druku 3D?

  M. E.: To będą raczej tkanki do badania leków. Na razie jest to raczej mała skala. Sądzę, że nie osiągnęliśmy jeszcze takiego poziomu zaawansowania technologicznego by móc tworzyć duże tkanki z miękkich materiałów takich jak komórki, które nadawałyby się do zastosowania klinicznego. Myślę, że nadal będziemy polegać na szybkim prototypowaniu jeżeli chodzi o tworzenie dużych konstrukcji. Sądzę, że to będą dwa kierunki rozwoju, szybkie prototypowanie dla większych konstrukcji np. rusztowań oraz biodrukowanie w mniejszej skali.

Pytanie do Pana Profesora Hutmachera. Na swojej prezentacji pokazywał Pan protezy kończyn, ale później rozmawiałem z Panem także o Australijskim Instytucie Medycyny Regeneracyjnej. Prowadzi on prace nad regeneracją kończyn, całych kończyn. Jest to również bardzo interesujący kierunek w medycynie regeneracyjnej. Czy uważa Pan, że takie procedury to jeszcze odległa przyszłość i na tę chwilę lepiej jest poprawiać protezy czy też z czasem terapie medycyny regeneracyjnej zupełnie je zastąpią?

D. H.: Myślę, że powinniśmy pracować nad oboma kierunkami. Powinniśmy prowadzić badania podstawowe nad regeneracją kończyn u kijanek i salamander. Powinniśmy uczyć się od podstaw tych procesów z biologii i próbować wprowadzać je w naszym własnym procesie regeneracji. Nie sądzę jednak byśmy w ciągu najbliższych 30-40 lat, w trakcie mojego życia, nawet zbliżyli się do regeneracji kończyn w sposób jaki robią to salamandry i kijanki. Jest wiele różnic genetycznych pomiędzy nami, a kijankami i salamandrami, które sprawiają, że one mają taki możliwości, a my nie. Jak już wspomniałem najlepszym kierunkiem w tym wypadku byłoby prowadzenie badań podstawowych i próba zastosowania ich wyników w regeneracji mniej skomplikowanych tkanek, nie koniecznie całej kończyny. W tym samym czasie, powinniśmy jednak prowadzić badania nad coraz lepszymi protezami, tak by mogły służyć pacjentom coraz dłużej, najlepiej przez całe życie. Protezy ciągle mają wiele wad i trzeba pracować nad ich ulepszeniem by je wyeliminować. Tak, więc jestem zwolennikiem prowadzenie obu typów badań, które są jednak bardzo różne od siebie. To nie jest wybór albo to albo tamto. Sądzę, że oba rodzaje badań mają przyszłość i powinny być kontynuowane. 

Jeszcze jedno pytanie dotyczące leczenia urazów kości. Czy można powiedzieć, że kiedyś, a może nawet w nie tak dalekiej przyszłości, to rusztowania zastąpią elementy z tytanu, tak by raczej regenerować kości niż zastępować je protezami?

D.H.: Nie, nie wierzę, że rusztowania całkowicie zastąpią protezy z tytanu. Myślę, że w ciągu  10 lub 15 lat pojawią się różne platformy technologiczne i tytan nadal będzie odgrywać ważną rolę. To będzie technologia, która będzie się sprawdzać w pewnych przypadkach, a niektórzy lekarze po prostu będą preferować tytan jako materiał znany i sprawdzony.
Równolegle będzie jednak funkcjonować inna platforma technologiczna, która będzie się opierać na biodegradowalnych rusztowaniach, które znajdą zastosowanie w pewnych przypadkach i które będą używane przez inną grupę lekarzy. Pojawi się zapewne także trzecia kategoria, czyli hybrydy, które będą się składać z ulegającego rozkładowi rusztowania oraz z tytanowego implantu. Takie są moje przewidywania.

Ostatnie pytanie do obu Panów. Czy jest to Wasza pierwsza wizyta w Polsce?

D. H.  Nie, dla mnie nie. Jestem tu po raz trzeci. M. E. To jest mój pierwszy raz.

A jakie mają Panowie wrażenia o nauce w Polsce?

D.H.: Patrząc na nią od wewnątrz, od strony moich współpracowników, jest naprawdę dobra. Jest całkowicie na poziomie czołowych grup w Europie.  
M. E.:  Nie miałem do tej pory okazji do współpracy z polskimi naukowcami. Dopiero zaczynamy pierwszy wspólny projekt.  Tak więc, na tym etapie nie mam za dużo do powiedzenia na ten temat.

Dziękuję za rozmowę.

Rozmawiał: Leszek Wiśniewski

Wywiad został przeprowadzony we wrześniu 2013 roku podczas Jesiennego Spotkania European Materials Research Society, które odbywało się na Politechnice Warszawskiej.