På väg mot konstgjorda organ

Efter att i han många år forskat på neuroendokrina tumörer och jobbat som överläkare inom endo-krinkirurgi på Sahlgrenska Universitetssjukhuset i Göteborg, bytte Lars Kölby bana och påbörjade en ST inom plastikkirurgi. En dag hörde professor Paul Gatenholm från Chalmers tekniska högskola av sig, och undrade om Lars Kölby ville samarbeta kring den nanocellulosa han precis varit med om att ta fram, och som lämpade sig bra som ingrediens till biobläck. 

De hade en massa lösningar, men inga problem.

”Enkelt uttryckt kan man säga att de hade en massa lösningar, men inga problem och kom till oss för att se ifall vi hade några problem som inte hade några lösningar. Vi slog våra påsar ihop och har samarbetat sen dess“, berättar Lars Kölby.

Blodkärl en nyckel till framgång
Gruppen har gjort försök med biobläck innehållande broskceller, som skrivs ut i gridformat – ett tredimensionellt, väldigt finmaskigt nät – och sedan opereras in i nakenmöss (möss som saknar T-celler). I upprepade magnetkameraundersökningar kunde gruppen se att mössens blodkärl växte in i de implanterade broskbitarna och började försörja dem med blod.

För att svara på den frågan implanterade vi små bitar av biobläck i ryggen på möss.

”Det var fantastiskt att se MR-kontrasten komma farande i gridhålen. Det var alldeles fullt med blod-kärl! Detta är ett viktigt steg för att ta bioteknisk vävnad från laboratoriebänken till klinisk praxis, att blodförsörjningen är säkrad“, säger Lars Kölby.

I gruppens senaste studie skördades humant fett med fettsugning, och bearbetades sedan mekaniskt så att det fragmenterades i mikroskopiskt små bitar. Det blandades sedan med alginat (en polysackarid som framställs av havstång), nanocellulosa och vatten till ett utskrivningsbart biobläck, och skrevs ut i små kuber. Även dessa kuber implan-terades i nakenmöss.

”Upp till 100 dagar senare kollade vi på kuberna i mikroskop. De var helt perfekta, gula och fina, inget spår av någon nekros. Och det fanns massor av små blodkärl inne i dem – humana blodkärl. När fettet hade fragmentiserats hade samma sak skett med de små blodkärl som fettet innehöll. När vi planterade in kuberna sökte dessa blodkärlsfragment upp varandra och kopplade ihop sig – och inte bara det, de kopplade också ihop sig med djurets blodomlopp“, säger Lars Kölby.

De kopplade också ihop sig med djurets blodomlopp.

Bättre resultat och tillgång med kroppsegen vävnad
Det slutgiltiga målet med Lars Kölbys och hans medarbetares forskning är att kunna fylla i hål-igheter från kirurgi med kroppsegen vävnad, till exempel efter bröstkirurgi i samband med bröstcancer. 

”Det skulle bli en stor vinst för patienten att slippa en protes av silikon, som liksom alla främmande material kapslas in med bindväv och blir fibrotiskt. Kroppseget fett skulle sannolikt bli mjukare, och troligen också tolereras bättre av den strålskadade vävnaden; strålskadad vävnad i kombination med silikonproteser leder ofta till komplikationer på grund av inflammation“, avslutar Lars Kölby.

Vill skapa lungor i labb
Så länge transplantationskirurgin har funnits, har det varit ett gap mellan antalet patienter som
behöver ett nytt organ och antalet tillgängliga organ. Detta gäller inte minst för lungtransplantationer, som innehar en bottennotering i sammanhanget ur flera aspekter – få lungtransplantationer görs i jämförelse med andra organ och när de väl görs är utfallet i genomsnitt sämre än för till exempel njure och lever, på grund av kroniska avstötningsreaktioner och infektioner. 

Det stora behovet, och de hälsovinster som laboratorieframställda lungor skulle kunna innebära, var det som lockade forskaren Darcy Wagner in i 3D-bioskrivningsfältet, med fokus på just lungor. 

Darcy Wagner är ursprungligen från Ohio, USA, där hon först tog en examen i maskinteknik vid Gonzaga University och sedan doktorerade inom biomedicinsk teknik vid University of Toledo. Efter en postdoc i Vermont, där hon forskade på decellularization (att isolera extracellulärsubstans från en vävnad, som sedan kan användas som underlag för framväxt av nya celler) blev hon allt mer övertygad om att bioskrivning snarare var vägen framåt. Detta ledde till en postdoc i München, där hon fokuserade på stamceller i lungorna och hur de skulle kunna användas i bioskrivning av lungor. Under 2017 gick flyttlasset till Lunds universitet, där hon fortsatt att tampas med samma fråga: Hur ska vi kunna skapa en lunga i ett laboratorium?

”En av de stora utmaningarna har varit att hitta ett optimalt material att skriva ut luftvägar i. De flesta biobläck som redan användes inom forskningen var inte organspecifika, och där såg vi stora möjlig-heter till förbättring. Så vi ville hitta ett som passade för just luftvägar“, säger Darcy Wagner. 

En av de stora utmaningarna har varit att hitta ett optimalt material att skriva ut luftvägar i.

Blandning av havstång och celler
Kriterierna för ett biobläck är många. Det måste vara flytande i rumstemperatur, men det måste också kunna stelna snabbt. Wagners grupp valde alginat, för att det stelnar på nolltid när man tillför kalcium. Men alginat kan inte instruera cellerna att växa på ett speciellt sätt, eftersom det är främmande för människokroppen. Därför blandades alginatet med extracellulärsubstans från mänskliga lungor, som hämtades från delar av lungtransplan-tat som inte använts vid transplantation, via ett samarbete med Thoraxkliniken på Skånes Universi-tetssjukhus.

”Därifrån fick vi också spillmaterial från transplantationerna, till exempel det man sågar bort för att kunna göra anastomoser, från vilket vi kunde extra-hera lungstamceller. Vårt biobläck bestod alltså av tre huvudingredienser: alginat, extracellulärsubstans från mänskliga lungor samt lungstamceller“, berättar Darcy Wagner. 

Möss med biobläck på ryggen
De 3D-skrivare som användes av gruppen är vanliga 3D-skrivare som normalt skriver ut plast och därför håller väldigt höga temperaturer, de fick därför byggas om och programmeras om för att kunna skriva ut det känsligare biobläcket som annars skulle ha skadats av så höga temperaturer. Med det nya biobläcket lyckades gruppen skriva ut mänskliga luftvägar, som en månad senare in vitro, både höll sig öppna och innehöll celler som differentierat sig till celler av den typ som finns i mänskliga luftvägar – både luftvägarnas glatta muskelceller och luftvägsepitel. Biobläcket verkade alltså innehålla alla de nödvändiga ingredienser som behövdes för att cellerna skulle prolifiera sig och differentiera sig. Men skulle det tolereras in vivo?

”För att svara på den frågan implanterade vi små bitar av biobläck i ryggen på möss. Mössen var knock out-möss som saknade T-celler, och på sätt liknar patienter som står på immundämpande behandling efter organtransplantation. Mössen tolererade inte bara det främmande materialet; vi kunde också se en ökad blodkärlsbildning kring diskarna – förmodligen för att extracellulärsubstansen innehåller tillväxtfaktorer som specifikt främjar kärlnybildning“, säger Darcy Wagner.

Spännande resultat, även om många frågor kvar-står. Till exempel – hur ska man få till alveolerna? 
”I nuläget kan skrivarna som finns på marknaden inte skriva ut så tunna lager celler att ett gasutbyte skulle kunna vara möjligt, och frågan är om de någonsin kommer att kunna det. Vi får kanske titta på andra lösningar där.“

Mössen tolererade inte bara det främmande materialet; vi kunde också se en ökad blodkärlsbildning kring diskarna.

Skulle man kunna tänka sig en lösning där alveoler växer ut från bronkiolerna?
”Kanske. Om det kan ske i vuxen lungvävnad återstår att se. Det är lång väg kvar förstås, men om man i slutändan skulle kunna lyckas skapa en konst-gjord lunga, med celler från patienten själv, så att denna inte behöver stå på livslång immunshämmande behandling – då skulle det vara den heliga graalen“, avslutar Darcy Wagner.

KORT FAKTA OM DARCY WAGNER

• Docent i molekylärmedicin vid Lunds universitet.
• Darcy Wagner och hennes team arbetar med att utforma nya behandlingar för patienter som lider av lungsjukdomar genom att kombinera teknik, medicin och cellbiologi.

KORT FAKTA OM LARS KÖLBY

• Professor i plastikkirurgi vid Göteborgs univeristet.
• Lars Kölby och hans team forskar på kraniofacial kirurgi och 3D-printing av biologiskt material för att utveckla nya metoder att rekonstruera mänsklig vävnad.