Przełom w transplantologii: hodowany w laboratorium przełyk uratował mini‑świnie

Naukowcy z Londynu po raz pierwszy odtworzyli w laboratorium fragment przełyku z komórek zwierzęcia i wszczepili go z sukcesem.

Eksperyment przeprowadzono na miniaturowych świniach, którym usunięto część naturalnego przełyku i zastąpiono go bioinżynieryjnym implantem. Zwierzęta po kilku miesiącach wróciły do normalnego jedzenia, a przeszczepiony odcinek zachowywał się jak prawdziwy narząd.

Dlaczego przełyk jest tak trudny do „naprawy”

Przełyk to nie tylko elastyczna rura, którą da się mechanicznie odtworzyć. To narząd, który musi wykonywać precyzyjne ruchy mięśni, przewodzić impulsy nerwowe i wytrzymywać ciągłe rozciąganie oraz kontakt z jedzeniem i płynami.

Klasyczne rekonstrukcje przełyku – na przykład wykorzystujące fragment jelita czy żołądka – są obciążone dużym ryzykiem powikłań. U dzieci z wrodzonymi wadami, takimi jak długoodcinkowe przerwanie przełyku, leczenie wymaga wielu operacji, długiej hospitalizacji i częstych zabiegów endoskopowych.

Przeczytaj również: Dlaczego rak płuca tak często wraca? Naukowcy wskazują winnego w komórkach

Przełyk zbudowany z własnych komórek pacjenta, który rośnie razem z nim i nie wymaga leków przeciw odrzuceniu, to od lat jeden z głównych celów medycyny regeneracyjnej.

Badacze z University College London postanowili więc połączyć chirurgię z zaawansowaną bioinżynierią i sprawdzić, czy da się stworzyć „żywy szablon” przełyku, który organizm przyjmie jak własną tkankę.

Jak zbudowano przełyk z laboratorium

Szkielet z tkanki zwierzęcej

Na początku naukowcy pobrali przełyki od świń. Następnie usunęli z nich wszystkie komórki, pozostawiając wyłącznie tzw. macierz zewnątrzkomórkową – rodzaj biologicznego rusztowania, które zachowuje kształt i strukturę narządu, ale nie zawiera elementów wywołujących reakcję immunologiczną.

Przeczytaj również: Unikanie słońca może skracać życie jak nałogowe palenie

Taki „goły” szkielet narządu posłużył jako baza pod nową, spersonalizowaną tkankę. To podejście stosuje się już w niektórych eksperymentalnych przeszczepach tchawicy czy zastawek serca, ale tu chodzi o narząd o bardzo skomplikowanej pracy mięśniowej.

Własne komórki biorcy jako materiał budulcowy

Kolejny krok polegał na pobraniu komórek mięśniowych od tych samych zwierząt, które miały później otrzymać implant. Komórki przekształcono w komórki o charakterze komórek macierzystych, zdolne do tworzenia różnych typów tkanek potrzebnych w przełyku.

Przeczytaj również: Pranie pościeli: dlaczego 40°C nic nie daje i co robić zamiast

Tak przygotowane komórki wstrzyknięto do macierzy zewnątrzkomórkowej. Całość umieszczono w bioraktorze – specjalnym urządzeniu, które zapewnia warunki zbliżone do organizmu: odpowiednie ciśnienie, temperaturę, dostęp tlenu i składników odżywczych.

Od pobrania tkanek do uzyskania gotowego przeszczepu minęło około dwa miesiące. Ten czas jest akceptowalny w leczeniu dzieci z ciężkimi wrodzonymi wadami przełyku, które często wymagają planowania operacji z dużym wyprzedzeniem.

Pobyt w bioraktorze trwał tydzień. W tym czasie komórki „układały się” na rusztowaniu, zaczynały się ze sobą łączyć i tworzyć zalążek funkcjonalnej tkanki mięśniowej oraz innych niezbędnych elementów.

Operacje na mini-świniach: czy sztuczny przełyk działa?

Usunięcie fragmentu przełyku i wszczepienie implantu

Ostatecznym testem były zabiegi na ośmiu miniaturowych świniach ważących około 10 kilogramów. Chirurdzy wycięli u każdego zwierzęcia odcinek przełyku o długości 2,5 centymetra, a następnie w to miejsce wszyli hodowany w laboratorium fragment.

Aby pomóc nowej tkance się przyjąć, naukowcy owinali implant specjalną biodegradowalną siateczką. Taki „opatrunek” nie tylko stabilizował miejsce operacji, ale też sprzyjał tworzeniu się nowych naczyń krwionośnych, które miały odżywiać przeszczep.

Kluczowe pytanie brzmiało: czy u młodych, rosnących zwierząt odtworzony przełyk zintegrował się z organizmem i zaczął pracować jak naturalny narząd?

Wyniki po sześciu miesiącach

Badanie opisane w czasopiśmie naukowym Nature Biotechnology pokazuje, że pięć z ośmiu zwierząt przeżyło pełne sześć miesięcy obserwacji. U tych świń przełykanie wróciło do normy, a jedzenie trafiało do żołądka bez istotnych zaburzeń.

Po trzech miesiącach przeszczepione fragmenty przełyku wytwarzały ciśnienie wystarczające do przesuwania pokarmu, posiadały unerwienie, mięśnie kurczyły się, a nowo utworzone naczynia krwionośne zaopatrywały tkankę w krew.

Pozostałe trzy zwierzęta uśpiono wcześniej z powodów związanych z dobrostanem – nie chodziło o ostre powikłania chirurgiczne, ale o konieczność ograniczenia cierpienia, gdy rozwijały się problemy zdrowotne niezwiązane bezpośrednio z samym przeszczepem.

Wszystkie świnie przeszły bez powikłań najtrudniejszy, trzydziestodniowy okres po operacji, kiedy zazwyczaj pojawia się najwięcej komplikacji. U części zwierząt w miejscu przeszczepu pojawiły się zwężenia, które zniwelowano przy użyciu endoskopii – metodą stosowaną rutynowo u ludzi po zabiegach na przełyku.

Co jeszcze trzeba poprawić, zanim skorzystają na tym pacjenci

Dłuższe fragmenty i lepsze ukrwienie

Zespół z Londynu pracuje teraz nad wydłużeniem odtwarzanych odcinków przełyku do 10–15 centymetrów. Dla wielu pacjentów to minimalna długość, która pozwoliłaby uniknąć bardziej inwazyjnych rekonstrukcji z użyciem jelita czy żołądka.

Główną barierą pozostaje ukrwienie. Im dłuższy przeszczep, tym większe zapotrzebowanie na krew, a więc potrzeba gęstszej i stabilnej sieci naczyń. Bez niej tkanka obumiera albo nie działa prawidłowo. Dlatego badacze testują różne rozwiązania:

• modyfikację struktury macierzy zewnątrzkomórkowej, aby łatwiej „wpuścić” do niej naczynia;
• zastosowanie czynników wzrostu stymulujących rozwój naczyń krwionośnych;
• udoskonalone biodegradowalne osłony, które precyzyjniej kierują procesem gojenia.

Od pojedynczego eksperymentu do procedury dla szpitali

Drugim filarem prac jest standaryzacja całego procesu. Zespół chce produkować „puste” fragmenty przełyku pochodzące od świń w formie gotowych szablonów, które szpitale mogłyby szybko zasiedlić komórkami konkretnego pacjenta.

Zmniejsza to liczbę ręcznych manipulacji w laboratorium, ogranicza ryzyko błędu, a także przyspiesza przygotowanie przeszczepu. Docelowo proces ma być na tyle powtarzalny, by można go było wykorzystać w badaniach klinicznych.

Perspektywa dla dzieci i dorosłych z ciężkimi uszkodzeniami przełyku

Szef zespołu, chirurg dziecięcy Paolo De Coppi, ocenia, że jeśli wyniki kolejnych badań na zwierzętach pozostaną dobre, pierwsze próby zastosowania tej metody u ludzi mogą ruszyć za około trzy–cztery lata. Najpierw skorzystaliby z niej najmłodsi pacjenci z wrodzonym brakiem dłuższego odcinka przełyku.

Dzisiaj takie dzieci często przechodzą szereg operacji, a przełyk rekonstruuje się z innych narządów. Bioinżynieryjny fragment z własnych komórek dziecka mógłby:

• zmniejszyć liczbę poważnych operacji;
• ograniczyć konieczność stosowania leków przeciw odrzuceniu przeszczepu;
• rosnąć razem z dzieckiem, zamiast wymagać kolejnych korekt;
• dać lepszą funkcję połykania i niższe ryzyko powikłań oddechowych.

Metoda ma też potencjał w leczeniu dorosłych po rozległych operacjach z powodu raka przełyku albo po ciężkich oparzeniach chemicznych. W tych sytuacjach odtworzenie brakującego fragmentu przełyku jest często jednym z najtrudniejszych etapów terapii.

Co ta technologia może zmienić w medycynie regeneracyjnej

Prace nad przełykiem hodowanym z własnych komórek wpisują się w szerszy trend budowania „części zamiennych” dla ludzkiego organizmu. W podobny sposób powstają już eksperymentalne fragmenty tchawicy, pęcherza, a nawet fragmenty mięśnia sercowego.

Kluczowym pojęciem jest tu macierz zewnątrzkomórkowa. To swoisty naturalny stelaż, który organizm zna i potrafi na nim „odbudować” tkanki, jeśli dostarczymy odpowiednie komórki. Dzięki temu ryzyko gwałtownej reakcji immunologicznej jest mniejsze niż przy klasycznym przeszczepie od innego człowieka.

Dla pacjentów może to oznaczać bardziej szyte na miarę terapie. Wyobraźmy sobie sytuację, w której w razie rozległego uszkodzenia przełyku lekarze zlecają przygotowanie spersonalizowanego implantu: z szablonu pochodzenia zwierzęcego, ale zasiedlonego wyłącznie komórkami konkretnego pacjenta. Taki narząd ma szansę pracować wydajniej i dłużej niż obecne rozwiązania.

Zanim pojawi się to w rutynowej praktyce, trzeba jeszcze odpowiedzieć na wiele pytań: jak długo taki przeszczep zachowa pełną sprawność, jak będzie zachowywał się u bardzo małych dzieci, czy da się bezpiecznie odtwarzać jeszcze dłuższe odcinki przełyku. Wyniki z miniaturowymi świniami sugerują jednak, że kierunek jest obiecujący i coraz bliżej wdrożenia w realnym leczeniu.