TYGODNIK TVP: Wymyślił pan coś, czego na świecie jeszcze nie ma, a co nazywa się bioniczna trzustka 3D. Zanim o tej bioniczności, to może wyjaśnijmy, co to takiego i jak działa oraz po co nam trzustka?

MICHAŁ WSZOŁA: Trzustka ma dwa główne zadania. Pierwsze to produkcja mieszaniny enzymów trawiennych, zwanych sokiem trzustkowym. Sok ów przedostaje się do dwunastnicy i tam trawi pokarmy. Trzustka składa się jednak także z tzw. wysepek trzustkowych i w nich produkowane są hormony kluczowe dla utrzymywania prawidłowego poziomu cukru we krwi. Wysepki to są malutkie kuleczki wielkości od 1 do 5 milimetrów, zbudowane z komórek, które produkują insulinę i glukagon. Gdy stężenie glukozy we krwi jest zbyt wysokie, np. po posiłku, to wysepki produkują więcej insuliny, co prowadzi do spadku stężenia cukru. Gdy cukru we krwi jest za mało – produkowany jest glukagon. Tak ustala się jedna z najważniejszych dla dobrostanu naszego organizmu równowag.

Czy to jednak nie oznacza, że może nam się w trzustce popsuć tylko jeden z tych elementów, jedna z tych struktur?

Jak najbardziej. Choroby trzustki najczęściej dotyczą albo tej części zewnątrzwydzielniczej – produkującej enzymy, albo wewnątrzwydzielniczej – wysepek, czyli elementu endokrynnego produkującego insulinę i glukagon. W zaawansowanych stadiach patologii trzustki to zaczyna się ze sobą łączyć, ale na początku na ogół jest chora tylko jedna część. Czyli, gdy na końcu procesu chorobowego dochodzi do zwłóknienia trzustki, to nie działa już nic. Na początku jednak stan zapalny dotyczy najczęściej części zewnątrzwydzielniczej.

Dwie podstawowe choroby, o których muszę powiedzieć, to cukrzyca typu I (ona atakuje wysepki) i zapalenie trzustki – dotyczące struktur wydzielania enzymów. Przebiegają one niezależnie od siebie, rozwijają się w zupełnie innych torach, więc ich leczeniem zajmują się zupełnie inni specjaliści (gastroenterolodzy i endokrynolodzy-diabetolodzy), stosując zupełnie inne podejście lecznicze.

Jak zatem można zastąpić działanie tego organu?

Zacznijmy od zapalenia trzustki. To jest choroba leczona głównie przy pomocy odpowiedniej diety, ale oczywiście bardzo ważne jest rozpoznanie przyczyn, dla których do niego doszło (np. kamienie w drogach żółciowych, błąd dietetyczny etc.), aby starać się je wyeliminować na przyszłość. I tym się już zajmują gastroenterolodzy i chirurdzy. Mamy zatem do czynienia albo z sytuacją jednorazową, albo epizody powtarzają się bardzo rzadko. Tak, że po przejściu ostrego zapalenia pacjenci zasadniczo nie wymagają podawania im produkowanych przez trzustkę enzymów trawiennych. Oczywiście w rzadkich przypadkach te epizody mogą się powtarzać częściej i skutkować przewlekłym zapaleniem trzustki – wtedy produkcja soku trzustkowego jest trwale uszkodzona, więc enzymy trzeba uzupełniać. W takich przypadkach podstawą jest leczenie chirurgiczne i jakaś część tych pacjentów może ostatecznie potrzebować również owej trzustki bionicznej.

Inaczej rzecz się ma z cukrzycą typu I, która zasadniczo uzależnia pacjenta od dawek niezbędnej mu do przeżycia insuliny. Ten hormon zabezpiecza go przed zagrażającymi życiu stanami zbyt wysokiego poziomu cukru we krwi, które w przypadku braku leczenia cukrzycy są częste i dewastujące dla całego organizmu. Jest to choroba autoagresyjna. To nasz własny układ odporności atakuje i niszczy wysepki trzustkowe, więc gdy uszkodzeniu ulegnie jakieś 80-90 proc. z nich, nie są w stanie dostarczać wystarczającej ilości insuliny. Leczenie zaczyna się dziś standardowo pompą insulinową, wyposażoną w system do ciągłego pomiaru poziomu glikemii, czyli stężenia cukru we krwi. W większości przypadków tacy pacjenci mogą doskonale funkcjonować, żyć wiele lat bez większych problemów.

Niestety, nie u wszystkich takie leczenie jest możliwe, bo mimo prawidłowej insulinoterapii może dochodzić do ciężkich powikłań. Np. pojawiają się głębokie niedocukrzenia, które mogą uszkadzać ośrodkowy układ nerwowy, czyli mózg. Bo on żywi się tylko i wyłącznie glukozą. Ponadto u niektórych osób na długotrwałej insulinoterapii może się pojawić cukrzycowa nefropatia (uszkodzenie nerek) czy retinopatia (uszkodzenie siatkówki oka). Cukrzyca jest jedną z głównych przyczyn niedowidzenia i utraty wzroku u pacjentów przed 60 rokiem życia. To właśnie ci pacjenci z powikłaniami trafiają później na oddziały transplantacji, gdzie my, chirurdzy transplantacyjni, możemy im zaproponować albo przeszczepienie trzustki, albo samych wysepek trzustkowych.

Obydwie te techniki mają swoje blaski i cienie. Gdy wszystko pójdzie dobrze, pacjenci na wiele lat są wyleczeni z cukrzycy. Ale tu wielkim problemem jest dostępność organów do przeszczepu. Z cukrzycą typu I żyje w Polsce ok. 200 tys. osób, u 10 procent z nich rozwijają się ciężkie powikłania...

A wykonuje się u nas maksymalnie kilkadziesiąt przeszczepień trzustki wraz z nerką rocznie, plus dosłownie kilka samej trzustki. W latach pandemii te liczby jeszcze zmalały. Brakuje narządów, mimo przepisu o zgodzie domniemanej. Tu mnie intryguje jeszcze to, że jak przeszczepiamy całą trzustkę, to oczywiście dawcą musi być osoba zmarłą, ale jeśli same wysepki, to może je się da pobrać od żywego dawcy, jak nerkę?

Przeszczepienie samych wysepek trzustkowych też odbywa się wyłącznie z narządu pobranego od osoby zmarłej. Były robione na świecie próby rodzinnych przeszczepień wysepek trzustkowych, gdzie od żywego dawcy pobierano tzw. ogon trzustki, z którego izolowano wysepki, ale zakończyły się niepowodzeniem i tę technologię zarzucono.

A skąd się biorą te wysepki, one się jakoś namnażają? Bo mam wrażenie, że dziś się już je da wyhodować w laboratorium…

Nie da się. Wyspy trzustkowe w takiej hodowli się nie namnażają, można je zatem jedynie przechowywać przez kilka dni poza ustrojem. Co innego wyspy trzustkowe, które chcielibyśmy wytworzyć sztucznie z komórek macierzystych i próbować je agregować – bo tu bardzo ważny jest dla działania tych struktur ów trójwymiarowy kształt kulki. Trzeba komórki macierzyste połączyć mechanicznie, manualnie, w takie kuleczki, bo bez kontaktu odpowiedniego między komórkami nie będzie prawidłowego odbierania poziomu glukozy we krwi i wysepki nie będą pracować. Oczywiście prace eksperymentalne na mysich komórkach nadal bardzo trudno przekłada się na działania w medycynie ludzkiej. Mysz jest mała, zatem aby „stworzyć” stosowną liczbę wysepek trzustkowych trzeba powiedzmy kilku tysięcy manipulacji i lepienia igiełką kuleczek z komórek. Dla człowieka to by była liczba wielokrotnie większa, manualnie niewykonalna. Przeskalowanie zatem takich projektów jest trudno wyobrażalne.

Na tym polu są jednak niemałe sukcesy, bo w zeszłym roku amerykańska firma Vertex pokazała dwa przypadki pacjentów, którzy otrzymali takie wyhodowane z komórek macierzystych wyspy trzustkowe. Wszczepiono im je klasycznie – do wątroby – i początkowe wyniki działania tych przeszczepionych struktur były bardzo obiecujące. Nie musieli już brać tak dużo insuliny. Oczywiście dwoje pacjentów to nie dwa tysiące i nadal mamy do czynienia z eksperymentem, który ma na razie pokazać, że to się da zrobić (tzw. proof of concept). W tym wypadku jednak ciągle istnieje ryzyko, że takie komórki macierzyste staną się zaczątkiem nowotworu w układzie wrotnym wątroby. Ciężko jest bowiem utrzymać je w molekularnych ryzach w miejscu dla nich nienaturalnym, w otoczeniu komórek innych, niż trzustka. A komórki macierzyste mają do siebie to, co i nowotworowe – lubią się dzielić. Tu zatem niewątpliwie trzeba będzie pomyśleć nad innym docelowym miejscem przeszczepienia owych komórek w organizmie biorcy. To jest zresztą zagadnienie bardzo ważne również przy okazji naszego pomysłu.

Zatem cóż to takiego jest trzustka bioniczna 3D? I w ogóle narząd bioniczny? Bo jak jest trzustka, to może są jeszcze jakieś inne.

Bioniczna trzustka to określenie naszym zdaniem najlepiej opisujące nasz pomysł. Sam wyraz „bioniczny” oznacza coś stworzonego zarówno przy użyciu najnowszych technik inżynieryjnych, jak i wykorzystaniu elementów biologicznych. I dokładnie taka jest bioniczna trzustka. To narząd wydrukowany na drukarce 3D z opracowanych przez nas biotuszy, które składają się z elementów biologicznych (np. białek strukturalnych), ale też z wykorzystaniem żywych komórek – wspomnianych komórek macierzystych dla wysepek trzustkowych.

Oczywiście również część firm, które produkują bardzo wysublimowane pompy insulinowe, nazywa je „bionicznymi trzustkami”, jednak tam brak owego elementu żywych komórek, które są podstawą naszego pomysłu.

Czyli owe pompy to kosmicznej jakości miernik przepływowy poziomu glukozy, wspaniałe dozowanie i miniaturyzacja taka, że dosłownie można sobie to w plasterku przykleić?

No może jeszcze nie aż tak, ale istotne jest to, że to jest wytwór całkowicie sztuczny, zatem nie bioniczny, mimo swej nazwy.

Rozumiem. Czyli to, co pan ze swoim zespołem robi to podejście, w którym wydruk 3D będzie jak najbardziej przypominał tkankę trzustki i będzie jakby gotowym narządem do przeszczepu, aby obejść problem braku owych narządów? Czy taki narząd można w dodatku zrobić niemalże na miarę? I rozumiem, że te biotusze to są jakieś substancje, których nasz organizm nie będzie atakował, więc nie dojdzie do odrzucenia takiego przeszczepu? W dodatku organizm nasz tego nie rozpuści… Aha, i jeszcze chyba trzeba zadbać, aby te komórki macierzyste tam po prostu nie zdechły, czyli miały dostarczony tlen i pożywienie, a odebrane zostały produkty przemiany materii zbędne i toksyczne.

Dokładnie tak. Przeżycie, a nawet dobrostan tych komórek to jest rzecz najważniejsza, bo to one mają dostarczać brakujących hormonów choremu. To ma być narząd, który można wszczepić człowiekowi, by wyleczyć go z cukrzycy. Taki prototyp narządu wydrukowaliśmy w 2019 roku. Projekt, który rozpoczął się w 2017 r., początkowo finansowany był przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu „Profilaktyka i leczenie chorób cywilizacyjnych” STRATEGMED. Ten wstępny etap projektu już się zatem zakończył. Fundacja Badań i Rozwoju Nauki z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym, Politechniką Warszawską, IBD PAN im. Marcelego Nenckiego, spółką Medispace i Szpitalem Dzieciątka Jezus stworzyły konsorcjum BIONIC, które doprowadziło do wydrukowania bionicznej trzustki. Teraz dalsza część projektu jest prowadzona przez dedykowaną do tego spółkę Polbionica.

Czyli jesteście już na etapie wdrożenia i to działa?! Jeśli tak, to szczerze gratuluję i od razu pytam, co się już udało z tym prototypem zrobić eksperymentalnie? Czy jakiś człowiek już z nim chodzi?

Jesteśmy na etapie wdrażania projektu, ale bionicznej trzustki nie wszczepiono jeszcze żadnemu pacjentowi, bo badania kliniczne jeszcze się nie zaczęły. Wdrażamy, czyli przygotowujemy się do badania klinicznego. Bo nie wystarczy przeprowadzenie badań naukowych pokazujących, że to działać może, tylko trzeba już mieć za sobą zaawansowane badania na małych i dużych modelowych zwierzętach laboratoryjnych. Trzeba też spełnić bardzo dużo rygorystycznych wymogów, aby zapewnić bezpieczeństwo pacjentów, którzy zostaną zakwalifikowani do przeszczepu bionicznej trzustki.

Ponadto określenie i fachowe opisanie dla czujnego oka Europejskiej Agencji Biomedycznej czym tak naprawdę jest bioniczna trzustka i z czego się składa jako urządzenie, czym jest z punktu widzenia formalno-prawnego, choćby dla zabezpieczenia własności intelektualnej tego unikatowego na skalę światową urządzenia, jest bardzo skomplikowane i pracochłonne. To trwa wiele miesięcy. Nikt jeszcze na świecie czegoś takiego nie przeprowadził, gdyż nie ma żadnej innej realnej bionicznej trzustki oprócz opracowanej przez nas. Czy też nikt inny się jeszcze nią nie pochwalił.

Dotąd udało nam się zatem wydrukować to urządzenie w warunkach laboratoryjnych. Narząd ów składa się z dwóch elementów głównych. Po pierwsze z biotuszu, czyli zawiesiny zawierającej komórki macierzyste, mającej w momencie drukowania konsystencję żelu. Po wydrukowaniu ów żel twardnieje pod działaniem wąskiej wiązki światła widzialnego o długości fali 405 nanometrów, tak że bioniczna trzustka jest od tego momentu stabilna. Po drugie – z wydrukowanego już w trzustce wewnętrznie układu naczyniowego, który spełnia wymóg podtrzymania życia komórek zawartych w bionicznej trzustce. Przez ten syntetyczno-biologiczny narząd musi bowiem płynąć krew z organizmu, zawierająca tlen i substancje odżywcze, a odbierająca dwutlenek węgla, produkty przemiany materii i produkowane tu hormony: insulinę i glukagon.

Pierwszy nasz narząd wydrukowany w 2019 roku miał bardzo skomplikowany układ naczyniowy, a badania w rezonansie magnetycznym już po puszczeniu przepływu specjalnego płynu perfuzyjnego potwierdziły pełną zgodność wydruku z tym, co sobie założyliśmy.

Nie jest to trywialne, że coś wydrukowanego w półpłynnym żelu po utwardzeniu zasadniczo nie zmieniło kształtu i wymiarów, tak, że te zaprojektowane drobne naczynia się np. nie zamknęły czy nie zapadły. Brawo dla twórców owego żelu!

Te żele zostały przez nas od podstaw opracowane, nic takiego wcześniej nie istniało. Po pierwsze zatem układ naczyniowy, po drugie ocenialiśmy, czy odpowiednio produkuje insulinę i glukagon. Potem były próby związane ze wzmocnieniem tego narządu. Musimy być bowiem pewni, że narząd wytrzyma ciśnienia płynów panujące w ciele człowieka. Plan minimum: 300 mmHg* wewnątrz tego sztucznego układu naczyniowego, żeby narządu po przeszczepie po prostu nie rozerwało. Dziś wiemy, że bioniczna trzustka wytrzymuje 400 mmHg. Czyli nawet jeśli chodzi o bardzo wysokie nadciśnienie u pacjenta, jesteśmy po bezpiecznej stronie.

Tu wracamy do nauki. Czy przez ten bioniczny organ puszczacie autentyczną krew ludzką, czy jakieś „sztuczne”? Chodzi mi o kwestie wysokiej gęstości i lepkości, obecność we krwi fibrynogenu, cholesterolu i krwinek, a zatem możliwość powstawania skrzepów czy reakcji immunologicznych etc.

Badań z ludzką krwią wstępnie nie przeprowadzaliśmy. Natomiast jeśli chodzi o ciecz, która jest perfundowana przez bioniczna trzustkę w bioreaktorze – to też jest takie urządzenie, które musieliśmy opracować, aby nam ta wydrukowana trzustka po prostu nie zamarła i była prawidłowo przechowywana – tam były płyny zawierające krwinki, ale prowadziło to do wielu problemów. Myśleliśmy też o zastosowaniu sztucznej krwi, którą opracował pan prof. Tomasz Ciach z Politechniki Warszawskiej, jednak uznaliśmy, że równoczesne badanie dwóch innowacji może nam nie dać wiążącej odpowiedzi na temat działania żadnej z nich.

Według mojej skromnej wiedzy na temat drukowania „szkieletów narządów” 3D wydaje mi się, że to właśnie kwestie współpracy z autentyczną ssaczą krwią są bardzo wielkim wyzwaniem nawet dla specjalistów z Massachusetts Institute of Technology, jednej z najbardziej prestiżowych uczelni technicznych w Stanach Zjednoczonych, której badania zapoczątkowały wiele nowych gałęzi, w tym biotechnologię…

Po pierwszych próbach z krwią zobaczyliśmy zbyt wiele problemów, postanowiliśmy zatem wrócić do komputera i przeprowadzić eksperymenty in silico, na modelach matematycznych. I tu się okazało, że musimy nieco zmienić nasz układ naczyniowy w obrębie trzustki bionicznej i wygląd jej samej.

Z tak przemodelowanym narządem przeprowadziliśmy badania i na małych zwierzętach (myszach) i na dużych (świniach), które właśnie teraz kończymy. Zatem przez narząd jak najbardziej przechodziła prawdziwa ssacza krew w organizmie. Świnia pod względem rozmiarów i wielkości narządów, ciśnienia krwi oraz zapotrzebowania na insulinę etc. bardzo przypomina człowieka. Zatem wiemy już, jak sobie radzi bioniczna trzustka przez dwa tygodnie w organizmie świni pozbawionej własnej trzustki po to, by była modelem cukrzycy.

Narząd działał. Oczywiście nie jest tak, że zrobiliśmy pierwszy przeszczep i wszystko było idealnie, ale po to się testuje tego typu innowacje na zwierzętach, aby właśnie wykrywać wszelkie problemy i znajdować środki zaradcze. Były problemy z zakrzepicą, z przeciekami i wszelkimi innymi możliwymi powikłaniami. Znaleźliśmy rozwiązania, poprawiliśmy pewne rzeczy, jednocześnie minimalizując liczbę zwierząt użytych do doświadczeń, bo nad wszystkim czuwają komisje bioetyczne.

Na sam koniec zatem zapytam, kiedy pan się spodziewa rozpoczęcia fazy klinicznej? Aby pomóc tym, jakże licznym ludziom, którzy są bardzo chorzy na powikłaną cukrzycę.

Jeśli wszystko dobrze pójdzie, to na koniec 2023 roku będziemy gotowi do wykonania pierwszej transplantacji bionicznej trzustki u człowieka. Oczywiście wcześniej konieczne jest zdobycie funduszy na owo badanie kliniczne, co nie jest takie proste. W fazie wdrożeniowej jak dotąd prowadzimy ten unikatowy projekt wyłącznie dzięki funduszom inwestycyjnym i darczyńcom, którzy przekazali np. 1 proc. podatku dochodowego dla naszej Fundacji Badań i Rozwoju Nauki . W tym roku zostałem zaproszony do Bostonu na największy kongres transplantologiczny na świecie – American Transplant Congress (ATC 2022), gdzie wystąpię w roli eksperta z wykładem „Biodrukowanie 3D – perspektywy wdrożenia do praktyki klinicznej” i opowiem o naszej wydrukowanej 3D bionicznej trzustce.

Mam takie marzenie, że nie będziemy bioniczną trzustką leczyć kilku- ani kilkunastu pacjentów w jednym czy dwóch krajowych ośrodkach transplantologicznych, ale że będzie to metoda rozsiana po całym świecie i wiele ośrodków będzie korzystało z tej polskiej technologii.

– rozmawiała Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy