Od umělého prstu ke kyborgům: Vědci na 3D tiskárnách vyrábějí živé tkáně, které budou základem pro výrobu umělých orgánů

Ve špičkových laboratořích už vědci na 3D tiskárnách vytvářejí živé tkáně, které se stanou základem pro výrobu plně funkčních umělých orgánů. "První vzorky vhodné pro transplantaci by mohly být k dispozici během několika málo let. 3D biotisk nabízí možnost rekonstruovat lidský organismus zevnitř. Zajímavé to je nejen z hlediska medicíny, ale třeba i pojistných systémů, protože ve srovnání s transplantacemi by to mělo být poměrně levné. Zdá se, že před námi je úžasná bionická budoucnost," říká Victoria Lambert, medicínská editorka serveru The Spectator.

To je jeden z důvodů, proč přední bionické laboratoře nemají problémy s financováním. Dalším pak je, že prolínání lidského organismu se stroji zajímá i vojáky, protože slibuje dát člověku zcela nové schopnosti.

Bionická žena

Vůbec nejstarší známou protézou je umělý prst na noze ženy, jejíž mumie byla objevena poblíž staroegyptského Luxoru. Šlo o dceru kněze, která žila před přibližně třemi tisíciletími. Vědci z Univerzity v Basileji po prozkoumání protézy konstatovali, že neměla jen kosmetický význam, ale její části byly sofistikovaně spojené tak, aby náhrada umožňovala komfortnější chůzi.

Od časů faraonů přes nálezy z antického Řecka a Říma, železnou ruku německého loupeživého rytíře Götze von Berlichingen nebo nohu z vorvaní kosti kapitána Achaba z románu Bílá velryba až do poloviny minulého století byly náhrady končetin jen mechanické. Nové možnosti přinesly až polovodiče a elektronika. Nervové vzruchy jdoucí z mozku k orgánům a svalům jsou elektrické povahy, takže začalo být možné je v miniaturních obvodech zesilovat, převádět do vhodné podoby a ovládat jimi umělé části těla.

Koncem 50. let minulého století se tak ve Velké Británii a tehdejším SSSR vyvíjely protézy rukou, které snímaly slabé signály na zbytku paže, zesilovaly je, a pomocí malých motorků ovládaly prsty. Nejdříve pacienti pohybovali všemi prsty najednou proti nehybnému palci, pak i palcem a později také dalšími klouby. Novější bioelektronické protézy obsahovaly snímače, které jednak zabraňují tomu, aby umělé prsty rozmačkaly křehké předměty, jednak dodávají funkci zpětné vazby: majitel umělé končetiny do určité míry "cítí", že něco uchopil. Po trpělivém výcviku se dá s takovou rukou dělat ledacos, ovšem končetina "jako živá" to pořád ještě nebyla.

Další stupeň představovala umělá ruka "bionické ženy" Claudie Mitchellové, která o tu živou přišla při motocyklové nehodě. Roku 2007 ji vědci z Rehabilitation Institute of Chicago vybavili protézou, která mozek nejen poslouchá, ale také skutečně cítí. Nervy ze zbytku paže převedli na hrudník a propojili se snímači v umělé ruce. Díky tomu se Claudia naučila ovládat novou ruku s pohyblivými prsty, zápěstím a loktem za pouhých pět dní.

Zatím posledním úspěchem bionické protetiky je umělá ruka, kterou vyvinuli vědci z Johns Hopkins University Applied Physic Lab v rámci programu Revolutionizing Prosthetics, podporovaného agenturou DARPA. John Matheny, kterého o ruku připravila rakovina, se stal prvním člověkem, jenž nepoužívá robotickou paži jen při laboratorních testech, ale trvale s ní žije. Protéza má plně pohyblivé všechny klouby a dává mozku zpětnou vazbu. Ovšem končetina "jako živá", jakou disponuje filmový Luke Skywalker z Hvězdných válek od svého nevydařeného souboje s lordem Darthem Vaderem, to stále není. Nejen že vypadá hodně roboticky a motorky kloubů je slyšet, ale také nesmí zmoknout a nejde s ní řídit. Ještě ke všemu stála 120 milionů dolarů, takže pořád jde o výzkumný prototyp, který bude mít Matheny jen rok. Britská firma Open Bionics ale vyvinula umělé paže vytvářené 3D tiskem, jež by měly být nejen levnější, ale také působit méně robotickým dojmem.

Kůže z 3D tiskárny

Vývoj jde dál − je snaha nahradit bzučící motorky a složité převody v kloubech umělými svaly a povrchové senzory umělou citlivou kůží. Loni například vědci z University of Minnesota představili postup umožňující pomocí 3D tisku vytvořit elastický materiál, který obsahuje velké množství senzorů. Vyvinuli speciální multifunkční 3D tiskárnu se čtyřmi tryskami, z nichž každá pracuje s jiným "inkoustem" s potřebnými elektrickými vlastnostmi. Jedna z trysek přitom vytváří dočasné podpůrné vrstvy určující prostorové uspořádání vrstev. Pomocná vrstva se po dokončení procesu odstraní smytím.

Kromě řady dalších využití tak půjde touto cestou vyrábět protézy, které cítí jako skutečné končetiny. Ale nejen to: tisk probíhá při pokojové teplotě, takže je možné senzory a elektronické obvody vytvářet přímo na živých tkáních. To má význam nejen v protetice (například při snímání nervových vzruchů na zbytku končetiny), ale i pro vytváření dalších umělých orgánů.

Pracuje se i na umělých svalech, protože − na rozdíl od klasických motorů − jsou tiché a hlavně neobsahují rotující části ani ložiska, takže vykazují větší životnost a efektivnost. Látek, jež se umí při změně podmínek roztahovat a smršťovat, není málo, ne všechny jsou ale odolné a levné. Vědci z americké organizace Agricultural Research Service proto zkoušejí využití polysacharidů rostlinného původu, mezi něž patří i obyčejný škrob. Na University of Texas at Dallas zase vyvinuli uhlíkové nanovlákno, které mění délku pod vlivem alkoholu a vodíku. Umělý sval poháněný alkoholem je údajně stokrát výkonnější než lidský. Zkoumají také možnost vytvořit uhlíková vlákna, jejichž stahování se ovládá změnou elektrického napětí. Jde o stejný princip, na jakém pracují i naše svaly. Zatím je sice k ovládání potřeba nebezpečně vysoké napětí, zato ale může takový elektrický umělý sval z nanovláken pracovat při teplotách od minus 196 stupňů Celsia až do plus 1500 stupňů Celsia.

Stejnou cestou se ubírá i vývoj náhrad dolních končetin − s tím rozdílem, že musí odolávat mnohem většímu zatížení. Přesto Islanďan Gudmundur Olafsson testuje umělou nohu společnosti Ossur, jejíž kotník je motoricky ovládaný signály z jeho mozku. Ve zbytku končetiny má voperované senzory, které nervové impulzy bezdrátově přenášejí do systému protézy. V tomto případě nejde jen o laboratorní testy, protože Ossur věří, že jeho protéza bude za tři až pět let na trhu. Konkurenční firma Otto Bock vyvinula umělou nohu, která má i koleno. Díky vybavení mikroprocesory s čidly snese zatížení až 80 kilogramů.

Turbína místo srdce

Lidé s nefunkčními ledvinami musí pravidelně docházet na dialýzu − což je vlastně umělá ledvina pracující mimo tělo. Je to − mírně řečeno − nepohodlné a pouze dočasné řešení, než se sežene vhodný orgán pro transplantaci. Vědci z University of California, San Francisco proto vyvíjejí umělou ledvinu, která by fungovala v těle a představovala definitivní řešení problému. Jejich Kidney Project už obdržel pětimilionový grant od národních fondů. Výsledkem je prototyp velikosti čajového šálku, který kombinuje křemíkovou technologii s živými buňkami ledvinové tkáně. Ty zajišťují, aby tělo opouštěly jen odpadní látky metabolismu, a nikoliv to, co v krvi zůstat má. Autoři věří, že klinické testy by mohly začít během několika málo let.

"Prostě jsme využili 60 milionů let zkušeností matky přírody a pěstujeme ledvinové buňky v miniaturním bioreaktoru uvnitř těla," vysvětluje William Fissell, jeden z autorů metody.

Podobný vývoj má za sebou umělé srdce: i v tomto případě zatím jde o velmi nepohodlné přemostění času k transplantaci, nechybí ale snaha vytvořit plnohodnotnou náhradu. Loni bylo v Česku 58letému muži voperováno biokompatibilní umělé srdce francouzské společnosti Carmat. Zařízení díky senzorům může měnit tep, pořád ještě ale musí být napájené externě a je třikrát těžší než skutečné srdce.

Některá vědecká pracoviště se proto snaží vyvinout srdce, které nepulzuje, ale pohání krev prostřednictvím miniaturních turbín, které mohou být menší a méně se opotřebovávají. Profesor ­Sanjiv Kaul z Oregon Health and Science University zase vyvinul jakousi titanovou krevní pumpu, která díky velmi jednoduché konstrukci má malé rozměry. I v tomto případě ale budoucnost nejspíš spočívá v 3D tisku. První tištěné srdce vyzkoušeli vědci z ETH Zurich. Zatím vydrží pracovat jen 45 minut, autoři ale věří, že se podaří nalézt odolnější materiály.

Joan Taylorová z De Montfort University zase vyvíjí umělou slinivku, která dávkuje inzulin do krevního oběhu diabetika, jiné laboratoře pracují na umělých plících a dalších orgánech. V bionických týmech nejsou jen lékaři, ale také odborníci na materiály, elektroniku, počítačové technologie atd.

Poslední dobou se stále větší pozornost soustřeďuje na kombinaci 3D tisku s využitím kmenových buněk, protože tak jde (zatím spíš teoreticky) vytvořit jakýkoliv orgán, který přitom nebude vzbuzovat odmítavou reakci organismu. Už dnes ale jsou desítky tkání a orgánů, které lze běžně nahradit, od kůže přes klouby a kosti až po kochleární implantáty pro neslyšící.

JAK OPRAVIT ČLOVĚKA