Przeszczepy skóry mogą być nakładane jak ubrania. Naukowcy z Columbia University pracują nad metodą ich personalizacji

Skóra hodowana na trójwymiarowych rusztowaniach może być formowana w kształt zbliżony do konkretnych, nawet najbardziej złożonych anatomicznie części ciała. Przykładem może być wytworzona w ten sposób rękawiczka, dzięki której możliwe stanie się szybkie i dużo mniej inwazyjne przeszczepianie skóry dłoni, np. po poparzeniu trzeciego stopnia. W takiej technologii szwy będzie trzeba zakładać tylko na nadgarstkach, podczas gdy w obecnie stosowanej metodzie miejsc szycia musi być kilkakrotnie więcej. Naukowcy z Columbia University, którzy opracowali innowacyjną metodę hodowania skóry do przeszczepów, mają już za sobą udane eksperymenty na myszach.

– Jeśli w przyszłości będziemy mieli pacjenta ze znacznym ubytkiem skóry na dłoni, można wykonać trójwymiarowe przeszczepy skóry, określane jako ubieralna skóra, uformowana na kształt rękawiczki, którą można po prostu nałożyć na dłoń pacjenta. Do wykonania przeszczepu skóry używamy rusztowania z tworzywa sztucznego wydrukowanego na drukarce 3D, dostosowanego do danej części ciała – może to być stopa, dłoń czy twarz. Rusztowanie określa strukturę hodowanej skóry i w czasie procesu służy również do dostarczania substancji odżywczych do tkanki, rozprowadzając pożywkę do hodowli komórkowych za pomocą zewnętrznej pompy. Po uformowaniu skóry można ją zdjąć z rusztowania i przeszczepić w całości. Taki przeszczep charakteryzuje się minimalną liczbą szwów, krótszym czasem zabiegu i lepszym przyjęciem przez organizm – wyjaśnia w wywiadzie dla agencji Newseria Innowacje dr Hasan Erbil Abaci, adiunkt na Wydziale Dermatologii Columbia University Medical Center.

Proces tworzenia nakładanych przeszczepów skórnych rozpoczyna się od pobrania małego wycinka skóry pacjenta. W laboratorium izoluje się komórki skóry i poddaje podziałowi, a następnie dokonuje się ich rekonstrukcji w hydrożelu 3D, którym jest zazwyczaj kolagen typu I. Taki proces trwa około czterech tygodni, czyli mniej więcej tak długo jak hodowanie skóry metodami znanymi już od 30 lat. Korzyściami dla pacjenta są jednak znacznie krótszy czas potrzebny na przeprowadzenie operacji, lepsza biokompatybilność skóry tworzonej w innowacyjny sposób i lepsze rezultaty estetyczne. Jednoczęściowe przeszczepy są też trwalsze i mocniejsze niż wykonane z kilku części zszytych ze sobą. W stosowanych do tej pory metodach materiał do przeszczepu hodowany jest w płaskich arkuszach, które łatwo przeszczepić w mniej złożonych anatomicznie miejscach.

– U pacjenta z poparzeniem trzeciego stopnia dłoni, zgodnie z obecną technologią, musielibyśmy zastosować wiele wytworzonych fragmentów skóry, pociąć je i owinąć wokół każdego z palców oraz założyć szwy wokół każdego fragmentu. Z kolei w przypadku technologii nakładanych przeszczepów skórnych wystarczy nałożyć przygotowaną rękawiczkę ze skóry na dłoń pacjenta, a szwy i opatrunki będą potrzebne tylko w okolicy nadgarstka – przekonuje dr Hasan Erbil Abaci.

W swoim eksperymencie naukowcy przeszczepili wytworzoną skórę na łapach myszy. To bardzo trudny obszar do przeprowadzania takich zabiegów. Próba tradycyjnej operacji zakończyła się niepowodzeniem, w przeciwieństwie do zastosowania nakładanego przeszczepu skóry. Był to znacznie szybszy proces – jego zamocowanie zajęło zaledwie 10 s, a cały zabieg chirurgiczny trwał poniżej 10 min. 

– Dzięki naszym badaniom dowiedzieliśmy się o ciekawym zachowaniu komórek w zależności od struktury. Jak wiadomo, skóra ludzka jest strukturą ciągłą, która pokrywa nasze ciało i nie ma żadnych otwartych krawędzi. Obecnie stosowana technologia pozwala na wytwarzanie okrągłych lub prostokątnych płatów skóry z otwartymi brzegami, dlatego potrzebne jest tworzenie modeli struktury skóry. W naszym badaniu struktura komórek była całkowicie zamknięta, co w znacznym stopniu zwiększyło wytrzymałość mechaniczną struktur skóry w porównaniu do obecnie stosowanej technologii. Niezmiernie ciekawa była dla nas możliwość obserwacji, jak zmienia się układ biomechaniczny komórek skóry i sposób rozwoju skóry właściwej w reakcji na zmianę struktury. Kolejnym interesującym wnioskiem było to, że w przypadku nakładanych przeszczepów skórnych komórki wytwarzają linie zmniejszonego napięcia analogicznie do skóry ludzkiej, czyli linie Langera. Może to mieć pewne zastosowanie w tworzeniu modeli skóry i badaniach nad nią, w tym nad starzeniem się, oraz opracowaniu leków – wyjaśnia naukowiec.

Na ludzką skórę składa się ponad 50 różnych typów komórek i wytworów naskórka. Obecna wersja nakładanych przeszczepów skórnych zawiera keratynocyty, fibroblasty i komórki śródbłonkowe skóry. Są to główne rodzaje komórek naskórka, skóry właściwej i naczyń krwionośnych skóry. Naukowcy planują jednak w przyszłości włączać w tworzone struktury skórne jeszcze więcej typów komórek, np. odpowiedzialnych za pigmentację, powstawanie mieszków włosowych czy gruczołów potowych. Docelowo chcą je tak dopracować, by można było mówić o przeszczepach swoistych, dobieranych indywidualnie do pacjenta. Możliwe też będzie hodowanie takich „ubieralnych” przeszczepów z komórek pobranych bezpośrednio od pacjenta. Wystarczy do tego pobranie próbki skóry o wymiarach 4 x 4 mm.

– Intensywnie pracujemy nad badaniem zachowania nakładanych przeszczepów skórnych w przypadku modeli opartych na większych zwierzętach, takich jak świnie, których skóra goi się przez ziarninowanie, podobnie jak ludzka. Po drugie, zgodnie z naszą metodą nakładane przeszczepy skórne powstawały na drukowanych na drukarce 3D rusztowaniach z tworzywa sztucznego, co wiąże się z wieloetapowym procesem produkcji. W obecnych badaniach rezygnujemy z rusztowania i korzystamy z biodrukarki 3D, aby wydrukować nakładane płaty skóry do przeszczepu bezpośrednio. Chcemy wyeliminować niektóre zbędne etapy pośrednie i lepiej kontrolować wszystkie właściwości fizyczne przeszczepów – mówi o dalszych planach adiunkt na Wydziale Dermatologii Columbia University Medical Center.

Bioinżynierowie czekają na opatentowanie technologii, jednak minie jeszcze co najmniej kilka lat, nim takie przeszczepy będzie można przeprowadzać u ludzi.

– Wyobrażam sobie, że pewnego dnia będziemy mogli na tej podstawie wytwarzać inne rodzaje tkanek znajdujących się pod skórą, takie jak tkanka mięśniowa, chrzęstna i kostna, aby mogły powstawać złożone przeszczepy twarzy i kończyn stworzone z myślą o danym pacjencie – mówi dr Hasan Erbil Abaci. – W podobnym projekcie, który jest na etapie realizacji, stosujemy naszą metodę do leczenia deformacji na dłoniach osób cierpiących na pęcherzowe oddzielanie się naskórka.