3D-printet hjertechip kan afløse forsøgsdyr

Hvis man skal forudsige, hvordan en ny medicin virker på mennesker, skal den testes på menneskeligt væv. Det kan man nu gøre i en chip, før man tester medicinen på et menneske.

Senest har forskere fra Harvard University i USA 3D-printet en chip, der kan måle hjertemuskulaturers reaktion.

Printeren sprøjtede seks forskellige materialer ud med stor præcision, og resultatet var en chip med otte kamre, komplet med indbyggede sensorer, der kan måle, hvordan hjertevæv reagerer.

Hvert af kamrene kan rumme et lille stykke hjertevæv, der kan udsættes for forskellige medikamenter. Med chippen kan man måle præcist, hvor kraftigt og hvor hurtigt vævet trækker sig rytmisk sammen, som de jo også gør det i et rigtigt hjerte.

Sensorer overvåger mini-hjertet

»Vi har over de sidste fem-ti år udviklet modeller af den menneskelige hjertemuskulatur, som vi nu kan holde i live i laboratoriet i over en måned,« fortæller danske Johan Ulrik Lind, der er postdoc på Wyss Institute, der er en del af Harvard University i USA.

»Derfor vi har udviklet en ny type hjertechip med integrerede sensorer, som hele tiden fortæller, hvor kraftigt hjertevævet slår, og med hvilken rytme.«

Johan Lind er førsteforfatter på en videnskabelig artikel om den 3D-printede hjertechip. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Nature Materials.

Chips med små organer

På Wyss Institute er de eksperter i at designe biologisk inspirerede mikrofysiologiske systemer – såkaldte organer-på-chips (organs-on-chips).

I en organchip gælder det om at efterligne det miljø, som cellerne befinder sig i i menneskekroppen, så man så at sige skaber små organer med samme funktion og struktur som i kroppen.

\ Læs mere

3D-printer skal bygge et hjerte

Udviklingen inden for stamceller har gjort, at det i dag er ren rutine at dyrke en lang række celler ud fra hudceller. Med de mikrofysiologiske systemer bliver det muligt at manipulere cellerne, så de organiserer og opfører sig, som de ville gøre i kroppen.

»Vi er blevet bedre til at bygge menneskeligt væv i laboratoriet. Nu vil vi gerne bruge vævet til noget nyttigt, for eksempel til at udvikle ny medicin. Med vores teknologi kan man meget tidligt teste, om ny medicin er effektivt og er fri for uheldige bivirkninger. Vi kan studere adskillige væv kontinuerligt og over lang tid,« siger Johan Lind og fortsætter:

»Vi satte os for at bygge chippen udelukkende ved hjælp af en 3D-printer, da design og fabrikation af mikrofysiologiske systemer ofte kan være meget tidskrævende. For at gøre dette muligt, måtte vi udviklede nye materialer, også nye sensormaterialer, der kunne printes og placeres med mikrometer-præcision. Nu kan vi designe og fremstille mikrofysiologiske systemer med integrerede sensorer meget hurtigere, end det var muligt før.«

Tilsæt blot celler

Selve hjertecellerne bliver ikke 3D-printet. De skal tilføjes bagefter, og så finder de selv på plads, fortæller Johan Lind:

»Vi har printet mikrostrukturer, som hjælper cellerne til at organisere sig på samme måde som i hjertet. De danner væv, der ligner hjertemuskulaturen. Så med vores chips skal man blot tilsætte hjerteceller, når man har brug for at teste.«

»Ingen vil påstå, at vores model beskriver hele hjertet med alle dets facetter. Men den beskriver en vigtig del af hjertet, nemlig den ventrikulære muskulatur, der er central for pumpefunktionen og dermed en kritisk del af fysiologien.«

De små hjertemuskler på chippen kan pumpe i ugevis, og det er vigtigt, hvis man skal måle langtidseffekter af medicin.

Organ-chips har mange anvendelser

Hjertet er ikke det eneste organ, som forskerne forsøger at efterligne på en chip. Alene på Wyss Institute har forskerne også udviklet organchips med celler fra hud, tungen, lunger, tarme, nyrer, knoglemarv og hjernen.

Det smarte ved organchips er blandt andet, at de kan mindske brugen af forsøgsdyr. Det giver god mening at benytte realistiske miniaturemodeller af menneskelige organer frem for at teste på mus eller rotter, når man skal teste effekten og bivirkninger af medicin til mennesker.

\ Læs mere

Banebrydende skridt mod 3D-print af nye organer

Organchips kan således gøre det hurtigere, lettere og billigere for biotek-firmaer at teste ny medicin, men de kan også bruges til at teste effekten af giftstoffer, der findes i miljøet eller i maden.

Bruger man en patients egne celler, kan mikrofysiologiske systemer desuden bruges til at finde, præcis den medicin og den dosis der virker bedst for den enkelte patient.

\ Læs mere

Nyt øre? 3D-printer skaber kunstige kropsdele

»Et par studier har for nyligt demonstreret, at man kan studere hjertet hos en patient med specifikke genfejl ved at lave en hjertemodel ud fra patientens hudceller. Dette gør det principielt muligt at teste og skræddersy behandling til en specifik patient. Det bliver nok ikke allemandseje lige foreløbigt, men teknologien er i hvert fald på vej,« siger Johan Lind.

Organ-chip kan producere blodplader

En chip, hvor biologiske funktioner efterlignes, kan også bruges til at producere stoffer eller celler, som kroppen har brug for, på samme måde som kroppen selv gør det.

For eksempel har franske forskere konstrueret en chip, der kan producere blodplader. Det er blodplader, der regulerer blodets evne til at koagulere, og forskerne håber, at chippen kan bruges til produktion af boldplader til patienter med blodplademangel (trombocytopeni).

\ Læs mere

3D-printede organer giver indsigt i kompliceret anatomi

Teknologien har store perspektiver, og også i Danmark arbejdes der på den, ikke mindst på Institut for Mikro- og Nanoteknologi på Danmarks Tekniske Universitet (DTU Nanotech).

Imod et menneske-på-en-chip

»Vi 3D-printer også systemer, som celler kan placeres på. Og vi er begyndt på også at printe cellerne direkte. Vi er faktisk ved at ansætte en person, som skal bygge en 3D-printer, der først printer 'stilladset' og bagefter printer celler på eller i strukturen,« siger professor Jenny Emnéus fra DTU Nanotech.

»Med små kanaler i 3D-strukturen kan vi efterligne blodkar og hele tiden forsyne cellerne med næringsstoffer og ilt og transportere affaldsstoffer væk. Det betyder, at man kan bygge relativt store strukturer, uden at cellerne dør. Det arbejder vi på.«

Forskerne regner med, at mange forskellige organchips på et tidspunkt kan sættes sammen til et helt menneske-på-en-chip.

»Så får vi en model af, hvordan de forskellige organer samarbejder og påvirker hinanden,« fortæller Jenny Emnéus, der også regner med, at det i fremtiden kan blive muligt at dyrke og printe hele organer, der kan transplanteres til syge mennesker.