Druk 3D a chirurgiczna rekonstrukcja krtani

Wyzwaniem dla medycyny i bioinżynierii jest odbudowa całej krtani, ponieważ przeszczepienie jej od dawcy jest procedurą wysoce ryzykowną, biorąc pod uwagę biozgodność i możliwą akceptację narządu. Istnieje wiele możliwości przezwyciężenia tych trudności. Jednym z najnowszych i najskuteczniejszych rozwiązań jest sztuczna krtań. Wydajny implant powinien być biokompatybilny i spersonalizowany dla każdego pacjenta. Do wykonania takiego implantu wykorzystuje się sztuczną porowatą krtań rusztowania pokrytą kolagenem i chondrocytami. Porowate rusztowania polimerowe są używane do naśladowania struktury narządów i stały się kluczowym elementem trójwymiarowej (3D) hodowli komórek.

Inżynieria tkankowa to proces tworzenia żywych, fizjologicznych, trójwymiarowych tkanek i narządów z wykorzystaniem rusztowań komórkowych, określonych kombinacji komórek i sygnałów komórkowych, zarówno mechanicznych jak i chemicznych (Griffith, 2002). W przeciwieństwie do klasycznego podejścia opartego na biomateriałach, opiera się ono na zrozumieniu procesu tworzenia i regeneracji tkanki. Ponadto ma na celu wywołanie nowych funkcjonalnych tkanek, a nie tylko wszczepianie nowych części zamiennych (A.J. Salgado). Najczęściej stosowane są dwuwymiarowe (2D) kultury komórkowe, w których monowarstwy komórek rosną na płaskich powierzchniach, co obarczone jest pewnymi wadami - mogą wystąpić zmiany morfologiczne i utrata funkcji specyficznych dla komórek. Coraz większe zainteresowanie rozwija się w kierunku rusztowań 3D (J. Borowiec, (2015) 509-516). Aby je otrzymać, zbadano różne metody, takie jak mikrotłoczenie, odlewanie rozpuszczalnikowe i ługowanie cząstek stałych, drukowanie 3D, filce z włókien i spajanie włókien [(Y. Yang, Wytwarzanie dobrze zdefiniowanych rusztowań PLGA przy użyciu nowatorskiego mikrootłaczania i wiązania dwutlenkiem węgla). (C.X.F. Lam) (Vacanti)]. Mimo to, nadal trudno jest zastosować wyżej wymienione sposoby przygotowania idealnego rusztowania o odpowiedniej architekturze nanowłóknistej do hodowli komórkowej (B. Sun).

Biomateriały używane w produkcji rusztowań inżynierii tkankowej można podzielić na syntetyczne lub naturalne (Griffith, 2002). Idealne rusztowanie powinno mieć wiele cech, jak np. biokompatybilność z wysokim powinowactwem do przyczepiania się i proliferacji komórek, odpowiednie właściwości mechaniczne i profil biodegradacji, rozbudowaną sieć wzajemnie połączonych porów czy odpowiedni kształt pożądany przez chirurga. Inżynieria tkankowa odniosłaby ogromne korzyści z takich rusztowań (C. Liu, 2007).

Co więcej, ostatnie badania wykazały, że rusztowania porowate wieloskalowe, w tym mikroporowate i makroporowate, mogą działać lepiej niż tylko makroporowate rusztowania. Niestety, porowatość zmniejsza właściwości mechaniczne i zwiększa złożoność powtarzalnej produkcji rusztowań (Jeroen Rouwkema, 2008). Innym ważnym czynnikiem jest bioresorbowalność. Rusztowania powinny być zdolne do degradacji w czasie in vivo z kontrolowaną szybkością resorpcji umożliwiającą stworzenie przestrzeni dla nowej tkanki kostnej (Bose).

Rekonstrukcja krtani jest wskazana z wielu ważnych powodów zdrowotnych, takich jak: utrzymanie fizjologicznej drogi oddechowej, wprowadzenie nowych możliwości rehabilitacji emisji głosu i, co ważniejsze, zachowanie społecznej funkcji komunikacyjnej oraz umożliwienie radykalnego leczenia onkologicznego i chirurgicznego w przypadku graniczących wskazań do częściowej i całkowitej resekcji krtani.

Analiza obrazów pochodzących z nowoczesnych metod tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z możliwością rekonstrukcji 3D pozwala na bardzo precyzyjne zaplanowanie allogenicznego podłoża rekonstrukcji. Spełnia ona warunek zabiegu ''spersonalizowanego''. Anatomia i fizjologia krtani determinują parametry fizykochemiczne materiałów użytych do allogenicznej budowy tego narządu. Stosowanie metalicznych pierwiastków takich jak tytan nie jest wskazane, ze względu na brak stabilności tak ciężkiej konstrukcji oraz niski stopień adhezji komórek. Wykorzystanie materiałów ceramicznych, np. apatytu, jest ryzykowne ze względu na mikrośrodowisko śluzu, które może powodować ich degradację.

Istnieje wiele różnych materiałów, które można wykorzystać do budowy rusztowań - PU, PLA, PEEK, PTFE, PC, PCL, kolagen, celuloza, jedwab, bioszkła, bioceramika. Kolagen jest zwykle mieszany z innymi substancjami, takimi jak polimer - chitozan (A. Martínez a, 2015). Innymi rozwiązaniami są mezoporowata mikrosfera hydroksyapatytu (mHA) w macierzy kolagenowej (Rahmatullah Cholas) lub rusztowania kolagenowe 3D z naładowanymi mikrokapsułkami (Loretta L. del Mercatoa). Z jedwabiem wiążą się również najnowsze badania dotyczące rusztowań. Fibroina jedwabiu (SF) jako naturalny polimer jest znana z zastosowań w inżynierii tkanki kostnej ze względu na wyjątkowe właściwości, w tym wysoką biokompatybilność, biodegradowalność, właściwości mechaniczne i łatwość wytwarzania. 

Do przygotowania porowatych rusztowań z biodegradowalnych polimerów można zastosować różnorodne metody np. ługowanie porogenu, liofilizację, rozdzielanie faz, wiązanie włókien, przetwarzanie w stanie stopionym, spienianie gazowe, elektroprzędzenie, szybkie prototypowanie i hybrydyzację (Chen i in., 2002 oraz Loh i Choong, 2013). Metody te mogą tworzyć porowate rusztowania o różnych właściwościach i zastosowaniach. Do wytwarzania porowatych rusztowań PCL można stosować hybrydowe folie PCL / kolagen. Przygotowuje się je przez impregnację liofilizowanych folii kolagenowych roztworem PCL w dichlorometanie, a następnie odparowanie rozpuszczalnika. Występowanie zeiny w PCL poprawia hydrofilowość, co widać w wynikach pomiaru kąta zwilżania wodą (Fan Wua). Rusztowanie porowate PC, PPP i PEEK można wytwarzać w podobny sposób - poprzez ulepszone odlewanie rozpuszczalnikowe / ługowanie cząstek stałych (soli) (SCPL) (Alexander Wellea, 2007) (Amy L. DiRienzoa, 2014). Jednak PPP ma wyższe wartości wytrzymałości i modułu w porównaniu z tymi trzema. Ponadto może być przetwarzany w stanie stopionym w niższych temperaturach niż PEEK i odlewany w roztworze (Morgan, 2006).

Zastosowanie hybrydy składającej się z poliwęglanu (lekka konstrukcja o stosunkowo dużej odporności mechanicznej oraz porowatej ''przyjaznej'' powierzchni) i elementów biologicznych (autogennych - pochodzących z hodowli komórkowej tj. kolagenu - fibroblastów - chondrocytów) może być rozwiązaniem problemu rekonstrukcji krtani.

Pierwszym krokiem tego procesu było stworzenie wirtualnego modelu krtani w oparciu o rzeczywistą anatomię za pomocą CAD (Computer Aided Design), modelowania w 3D (w celu stworzenia zupełnie nowego obiektu) lub przy użyciu magnetycznego 3D (MRI) skanera rezonansowego (do stworzenia modelu istniejącego obiektu). Skaner 3D umożliwia utworzenie cyfrowej kopii zeskanowanego obiektu. Zastosowana w operacji technologia FDM (Fused Deposition Modeling) oparta jest na materiale w postaci termoplastycznego tworzywa sztucznego dostarczanego do ruchomego układu plastyfikującego. Wytłaczarka jest podgrzewana do temperatury topnienia materiału i bezpośrednio kontrolowana przez oprogramowanie do produkcji wspomaganej komputerowo (CAM). Przedmiot powstaje poprzez formowanie stopionego materiału w postaci warstw, materiał twardnieje natychmiast po wytłoczeniu. Technologia ta jest najczęściej stosowana do ABS (akrylonitryl-butadien-styren) i PLA (kwas polimlekowy), ale także do wielu innych materiałów o odpowiednich właściwościach.

Na podstawie rezonansu magnetycznego wspomaganego tomografią komputerową zaprojektowano obraz krtani do druku 3D. Projekt został przygotowany przy użyciu programu AutoCAD Inventor i wyeksportowany do pliku STL na drukarkę 3D. Wydruki krtani uzyskano ze specjalnie przygotowanych filamentów na bazie poliwęglanu z różnymi dodatkami. Przygotowany model musi wykazywać nie tylko biozgodność z ludzkim organizmem, ale także posiadać właściwości mechaniczne identyczne z naturalną chrząstką krtani.

Oprócz metod biologii molekularnej głównym kierunkiem rozwoju medycyny regeneracyjnej są przeszczepy autogenne, homogeniczne i heterogeniczne. W przypadku braku możliwości zastosowania tkanki lub narządu opracowywane są konstrukcje bioinżynieryjne o wysokiej biokompatybilności (protezy stawu, protezy naczyniowe, w tym sztuczna komora serca, biostymulatory takie jak implanty ślimakowe czy stymulator mózgu w chorobie Parkinsona). Przedstawione powyżej poliwęglanowe rusztowanie krtaniowe pozwala na stworzenie hybrydy allogeniczno-autogennej (sztuczny polimer + komórki autogenne), spełniającej wymagania anatomiczne i funkcjonalne dla narządu. Dane epidemiologiczne wskazują na dynamiczny wzrost zachorowalności na raka głowy i szyi (w tym raka krtani). U 50% wszystkich chorych na raka krtani konieczne jest całkowite usunięcie tego narządu. Krtań allogeniczno-autogenna daje tym pacjentom nadzieję na wyzdrowienie i powrót do normalnego, społecznego życia.

Należy jednak zauważyć, że druk 3D nie znalazł zastosowania jedynie w leczeniu krtani, jest już szeroko stosowany w całej medycynie; chociażby w przypadku wrodzonych chorób serca czy do planowania przedoperacyjnego. Wrodzone wady serca, powodujące poważne konsekwencje hemodynamiczne i funkcjonalne, wymagają leczenia chirurgicznego. Zrozumienie dokładnej anatomii chirurgicznej jest często trudne i może być niewystarczające lub błędne. Nowoczesne techniki obrazowania w wysokiej rozdzielczości i technologia druku 3D pozwalają na drukowanie replik serca pacjenta w 3D dla dokładnego zrozumienia złożonej anatomii, praktycznej symulacji procedur chirurgicznych i interwencyjnych. Chociaż materiały drukowane nadal wymagają optymalizacji pod kątem odwzorowania tkanek sercowo-naczyniowych i zastawek, to uzyskuje się w ten sposób modele odpowiednie do ćwiczenia zamykania ubytków przegrody, zastosowania przegród w komorach, rekonstrukcji i łuku aorty czy zabiegu zmiany tętnicy. Praktyczne szkolenie chirurgiczne (HOST) na modelach może wkrótce stał się obowiązkowym elementem programu chirurgii wrodzonych wad serca. 

Głównym problemem w dziedzinie druku 3D było znalezienie materiałów, które są nie tylko kompatybilne z materiałami biologicznymi i procedurą drukowania, ale mogą również zaoferować niezbędne mechaniczne i funkcjonalne właściwości konstrukcji tkankowych. Jest ogromna liczba materiałów, które można zastosować, w zależności od aplikacji. W zakresie planowania przedoperacyjnego jedynym drukowanym materiałem używanym są polimery: silikony, hydrożele (polialkohol winylowy, poliamid) itp. Wykorzystanie prototypów w planowaniu chirurgicznym, którym są modele fizyczne organów 3D używane przez chirurgów do ćwiczeń przed operacją, ułatwia im pracę dając im wyobrażenie o tym, z czym spotkają się podczas operacji.

Podsumowując, biodrukowanie implantów, takich jak stenty, plastry i sztuczne zastawki oraz inżynieria tkankowa z wykorzystaniem własnych komórek pacjenta otwierają drzwi do nowej ery wcześniej już wspomnianej medycyny spersonalizowanej. 

Dr hab. Andrzej Swinarew