Snaha vědců vypěstovat v laboratořích z buněk pacientů náhražky poškozených tkání narážela od počátku na nepřekonatelné problémy. Úspěch se jim dlouho vyhýbal. Na lepší časy se blýsklo až na sklonku minulého století, ale zato pořádně.
Nápad z mořského břehu
Jednoho horkého letního dne roku 1986 hlídal harvardský chirurg Joseph Vacanti na pláži děti při koupání a přitom si všiml rozvětvené mořské řasy. A v té chvíli mu bylo jasné, že vyřešil problém, s kterým si marně lámal hlavu dlouhé roky. Chtěl totiž v laboratoři vypěstovat z buněk pacientů tkáně, které by mohl nemocným voperovat zpět místo tkání zničených úrazem nebo chorobou. Dařilo se mu však pěstovat buňky jen v tenkých vrstvách, ale větší masu buněk nedokázal dostatečně zásobovat živinami. Také odvod zplodin látkové výměny z pěstovaných buněk vázl.
Vacanti si uvědomil, že kdyby buňky rostly na umělohmotném podkladu z rozvětvených vláken podobných mořské řase, pak by mohl živný roztok pronikat mezi rostoucí buňky a i zplodiny by mohly volně odcházet. Ponechal děti na pláži bez dozoru a běžel k nejbližšímu telefonnímu automatu, aby se poradil s kolegou Robertem Langerem, odborníkem na syntézu umělohmotných polymerů.
„Můžeme udělat polymery s rozvětvenou strukturou?“ křičel Vacanti do sluchátka.
„Jo, to bychom asi mohli,“ odpověděl celkem nevzrušeně Robert Langer.
„Zkusili jsme to a ono se to povedlo,“ vzpomínal s odstupem let Langer na zlomový bod v dějinách oboru zvaného tkáňové inženýrství.
Dnes jsou už umělohmotné podklady z rozvětvených polymerů vyráběny z materiálu, který rostoucí buňky po určité době rozloží a vstřebají. Nakonec se porézní umělohmotné „lešení“ v mase namnožených buněk dokonale ztratí a zbude jen čistá tkáň, která na umělohmotném nosiči narostla.
Močové měchýře pro psy
Jednou z prvních velkých zkoušek prošla koncepce „ztraceného lešení“ v amerických laboratoři Anthonyho Ataly při výrobě močových měchýřů. Nebyl to pro začátek rozhodně jednoduchý úkol, protože „přírodní“ močový měchýř představuje skutečně mistrovské dílo. Vyniká obdivuhodnou roztažností. V schopnosti zvětšit svůj objem jej asi trumfne jen děloha s vyvíjejícím se plodem. Ta má ale na zvětšení objemu mnohem více času. Močový měchýř přitom musí dokonale těsnit a nesmí z něj uniknout do těla ani kapka moči, protože by těžce poškozovala všechny tkáně kolem.
Robert Langer vyrobil ze speciálních polymerů lešení v podobě umělohmotných „pytlíků“ a Anthony Atala pak na jejich vnitřní stran nasadil buňky, vystýlající močový měchýř. Vnější stěnu „pytlíku“ nechal porůstat buňkami hladké svaloviny. Buňkám se sice do růstu dvakrát nechtělo, a tak je Atala „popohnal“ přídavkem speciálních růstových faktorů. Po několika dnech vytáhl ze sterilních kultivačních nádob umělohmotné „pytlíky“ porostlé z obou stran příslušnými buňkami a voperoval je pokusným psům místo jejich vlastních močových měchýřů. Po třech měsících bylo naprosto jasné, že se pokus vydařil.V uměle vypěstovaných močových měchýřích nezbyl žádný polymer a začaly fungovat jako skutečný orgán. Prorostly do nich cévy, takže buňky ve stěnách byly normálně zásobovány kyslíkem a živinami přitékajícími krví, a stejnou cestou se zbavovaly zplodin látkové výměny. Navíc prorostly do měchýře i nervy, což bylo důležité pro to, aby měchýř normálně fungoval. Psi dokázali ovládat měchýř a mohli normálně močit. Nesporný úspěch otevřel cesty k prvním klinickým zkouškám, při kterých by měli dostat umělý močový měchýř pacienti.
Vysokotlaké potrubí pro lidské tělo
Usilovně se nyní pracuje na vývoji umělých tepen, střev nebo kostí. Naděje vzbuzuje především pěstování tepen, které po dvacetiletém přešlapování na místě učinilo obrovský pokrok. Jen ve Spojených státech nahradí každoročně lékaři asi 600 tisícům nemocných ucpané srdeční tepny zdravými cévami, odebranými z jiných míst pacientova těla (např. z nohy). Cévy v těle třetiny nemocných ale bývají v tak špatném stavu, že je chirurgové pro operaci srdce nemohou použít. Právě v těchto zapeklitých případech by hodně pomohly tepny narostlé v laboratořích.
Kvalitní tepny se ale nepěstují snadno, protože musejí mít parametry vysokotlakých armatur. Krční tepna je dimenzovaná na tlaky kolem 6 atmosfér. To je tlak třikrát vyšší, než na jaký se hustí pneumatiky osobního automobilu.
„Mrtvé“ cévy vyrobené ze syntetických materiálů sice takové tlaky bez potíží snášejí, pro náhradu jemných koronárních tepen, zajišťujících výživu srdeční svaloviny srdce, se však nehodí. Tyto tepny mají hodně malý průměr a v umělohmotném provedení se nepříjemně často ucpávají krevními sraženinami. To „živé“ cévy jsou v tomto ohledu podstatně šikovnější. Jejich náhražky vypěstované v laboratořích zas ale nemívaly patřičnou pevnost. Prosakuje jimi krev a praskají.
Tepny z buněčné posilovny
Laura Niklasonová z americké Duke University nakonec našla způsob, jak laboratorně pěstovaným tepnám zajistit potřebnou pevnost. Rozhodla se pěstovat tepny v jakési „posilovně“, neboť došla k závěru, že cévy jsou slabé proto, že po celou dobu pěstování lenoší. Nechala si proto od „kouzelníka“ Roberta Langera připravit pružné umělohmotné hadice, které se díky zvláštní pumpě stopětašedesátkrát za minutu „nafouknou“. Na „tepající“ hadici nasadila Laura Niklasonová buňky tvořící stěny tepen. Tepna rostoucí na pulzující hadici nemá ani chvíli klidu a její buňky jsou tak nuceny neustále „posilovat“. Roste tak za podmínek, jaké vládnou při vzniku tepen ve vyvíjejícím se lidském plodu. Chirurgové už odzkoušeli tepny z laboratorní „posilovny“ na zvířatech a jsou jimi nadšeni. Zvláště si pochvalují, jak dobře se vypěstované cévy přišívají.
Srdce ze zkumavky do dvaceti let?
Nejvyšší metou tkáňových inženýrů zůstává laboratorní „stvoření“ srdce, ledvin a jater. Řeč statistických údajů totiž vyznívá jednoznačně: Transplantace orgánu od vhodného lidského dárce se nedočká ani každý desátý nemocný. Bohužel, výroba těchto orgánů je zatím stále mimo možnosti současných „tkáňových inženýrů“.
Játra mají poměrně složitou vnitřní strukturu, proto vědci stojí před úkolem, donutit buňky, aby na polymerové kostře narostly do patřičného prostorového tvaru. Rýsují se možnosti umístit na polymerovou síť molekulární „značky“, které by navigovaly usedání a růst buněk na polymer tak, aby vytvořily orgán s požadovanou strukturou.
Podobné pokusy by měly vyústit i v laboratorní vypěstování ledvin. Na universitě v kanadském Torontu odstartoval výzkumný projekt, který si klade za cíl vypěstovat v laboratoři srdce. Této mety chtěli kanadští vědci dosáhnout za deset až dvacet let, ale po dvou letech uznali, že přecenili své síly a projekt předčasně ukončili.
Co třeba umělé ucho?
Produkty tkáňového inženýrství si razí cestu už i do nemocnic. Na trhu se objevila uměle vypěstovaná lidská kůže, kterou lékaři používají při popáleninách a pomáhá výrazně i při hojení bércových vředů, vznikajících v místech, kde je tkáň pacienta nedostatečně zásobována krví.
Poškozené kloubní chrupavky lze zas „vyspravit“ jakousi „záplatou“, kterou lékaři pacientovi vypěstují z buněk jeho chrupavky, opatrně odebrané z jiného kloubu. Pěstování chrupavek na vhodně tvarovaných polymerových „lešeních“ dokáže stvořit i nových ušních boltců nebo nosů pro potřeby plastické chirurgie u pacientů, kteří utrpěli těžká poranění nebo popáleniny
I čelist se může hodit
Univerzitní lékaři z německého Kielu vytvořili novou dolní čelist pro muže, kterému musela být před devíti lety odebrána jeho vlastní kost při radikální chirurgické léčbě rakoviny. Od té doby byl odkázán na tekutou stravu a nemohl ani pořádně mluvit.
Rekonstrukce kostí se samozřejmě provádí již dlouhou dobu pomocí štěpů odebraných z velkých a plochých kostí jako jsou lopatky. Jedná se však o zdlouhavý a bolestivý proces a pochopitelně poškozuje kost, která je zdrojem štěpu. Podkovovitá dolní čelist má navíc složitý trojrozměrný tvar.
Tým Patricka Warnkeho proto zvolil zcela novou cestu. Na základě CT snímků obličeje pacienta a s pomocí nástrojů CAD připravili dutý model čelisti z titanové síťky. Ten pak naplnili bloky kostního minerálu a roztokem obsahujícím kmenové buňky odebrané z kostní dřeně pacienta. Přidali také morfogenní protein BMP (bone morphogenic protein), který stimuluje růst kosti.
Zárodek budoucí čelisti lékaři dočasně implantovali do svalu na pacientově pravé lopatce, aby si budoucí kost mohla vytvořit napojení na svalovou tkáň a cévní systém. Tato fáze trvala sedm týdnů a po vynětí implantátu se již také projevovaly známky formování kosti. Warnke se svými kolegy pak vytvořenou čelistí nahradili chybějící kost pacienta a mikrochirurgickými postupy ji připojili na svaly a cévy na krku. Pouhé čtyři týdny po zákroku si již muž pochutnával na párcích s chlebem. Velmi se zlepšila i srozumitelnost jeho řeči.
Lékaři očekávají, že po roce by nová mandibula mohla být již natolik pevná, že by bylo možné přistoupit k odstranění titanové síťky a nakonec třeba i k implantaci zubů.
