Przeszczepy narządów zarówno od żywych, jak i zmarłych odgrywają ogromną rolę w ratowaniu ludzkiego zdrowia. Wyniki badań opublikowane w "The Lancet" nie pozostawiają złudzeń - w wielu krajach pandemia COVID-19 niesie śmiertelne zagrożenie związane nie tylko z ryzykiem zgonu z powodu infekcji SARS-CoV-2. W 2020 r. w Stanach Zjednoczonych odnotowano o 50 proc. mniej przeszczepów niż w latach poprzednich. Eksperci z Perelman School of Medicine na Uniwersytecie w Pensylwanii wskazują, że zmniejszyła się liczba przeszczepów nerek, serca, płuc i wątroby.
W Polsce organem koordynującym wszystkie transplantacje jest Centrum Organizacyjno-Koordynacyjne ds. Transplantacji "Poltransplant". Według udostępnionych danych, w 2020 r. dokonano 1180 przeszczepów narządów od zmarłych dawców - 717 nerek, 263 wątroby, ale tylko 145 serc i 51 płuc. W przypadku żywych dawców, pobrano tylko 31 nerek i 28 części wątroby. Warto wspomnieć jeszcze o przeszczepach rogówki, których było 1269. Faktycznie, ogólna liczba transplantacji w roku ubiegłym była niższa niż w latach poprzednich - 1473 organy w 2019 r., 1390 narządów w 2018 r. Najbardziej przerażające jest to, że liczba oczekujących na nowe organy, a więc i nowe życie, wcale drastycznie nie spada. Każdego miesiąca na Krajowej Liście Oczekujących na Przeszczepienie jest 1700-2000 osób (najmniej w listopadzie 2020 r. - 1768; najwięcej w lutym 2020 r. - 2048). To dobrze pokazuje skalę problemu. Mamy światowy kryzys w transplantologii i nie sposób zażegnać go w żaden sposób. Jedyną metodą jest pozyskiwanie narządów do przeszczepów z alternatywnych źródeł.
Świnia najlepszym przyjacielem człowieka
Jeszcze niedawno sir Terence English, chirurg, który dokonał pierwszego udanego przeszczepu serca w Wielkiej Brytanii w 1979 r., powiedział, że w poszukiwaniu narządów powinniśmy się skupić na ksenotransplantacjach, czyli przeszczepach narządów od innych gatunków. W przypadku ludzi, naturalnym źródłem wydają się być świnie, bo pod względami układu zgodności tkankowej jesteśmy dość podobni.
Christopher McGregor, jeden ze współpracowników sir Englisha, opracował technikę dostrajania genów świń, która zapobiega odrzuceniu organu przez ludzki układ odpornościowy. Od 2019 r. w planach jest przeszczep nerki od świni do człowieka, a do 2023 r. naukowcy chcą spróbować z sercem. To właśnie te organy są najbardziej "pożądane" i najtrudniejsze do zdobycia. Nie dość, że muszą być w dobrej kondycji, to trzeba je usunąć i przeszczepić w ciągu kilku godzin. Najważniejsze - dawca i biorca muszą być kompatybilni pod kątem antygenów zgodności tkankowej.
Zobacz również:
Świńskie serca to dobra alternatywa, gdyż anatomicznie są podobne do ludzkich. Mimo iż transplantacje świńskich organów do naczelnych wciąż są z gatunku science fiction, to naukowcy robią systematyczne postępy. W 2018 r. pewien pawian przeżył 945 dni z sercem przeszczepionym od świni. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu kombinacji modyfikacji genetycznych i leków immunosupresyjnych, do maksymalnego wydłużenia życia zwierzęcia. Wcześniej udawało się utrzymać przy życiu biorcę przeszczepu przez 180-500 dni i wydawało się, że ta granica jest nieprzekraczalna.
- Osiągnięcie to jest niezwykle istotne, ponieważ przybliża nas o kolejny krok do korzystania z tych narządów u ludzi. Ksenotransplantacje - przeszczepy organów między różnymi gatunkami, mogłyby co roku ratować tysiące ludzkich istnień - powiedział dr Muhammad Mohiuddin z National Heart, Lung and Blood Institute w Maryland.
Jeszcze bardziej kontrowersyjnym pomysłem są chimery, czyli krzyżówki międzygatunkowe, np. świń i ludzi, które mogłyby być wykorzystane do hodowli narządów do przeszczepów. Takie eksperymenty budzą jednak poważne zastrzeżenia natury etycznej.
Czas chimer
W 2017 r. naukowcy stworzyli świńskie zarodki, które były w mniej niż 0,001 proc. ludzkie. To pierwszy krok w stronę kreacji międzygatunkowych chimer, łączących materiał genetyczny człowieka i innych zwierząt.
Nazwa chimery pochodzi od ziejącego ogniem potwora z mitologii greckiej, otwiera się w nowym oknie, który miał głowę lwa, ciało kozy i ogon węża. W biologii chimery to organizmy powstałe z dwóch zapłodnionych komórek lub zygot pochodzących od różnych gatunków. W tym przypadku to komórki człowieka i świni. Istnieją istotne powody, dla których naukowcy chcą je tworzyć - najważniejszy to brak narządów do przeszczepów, zwłaszcza serc i nerek. Chimery mogą stanowić rozwiązanie tej sytuacji, bo istnieją przesłanki, że po odpowiednich manipulacjach genetycznych, można by hodować ludzkie narządy w ciałach świń.
- Ostatecznym celem jest rozwój funkcjonalny i transplantacja narządów oraz tkanek pozyskanych od zwierząt, ale jesteśmy daleko od tego. Nasze badania to ważny pierwszy krok - powiedział prof. Juan Carlos Izpisua Belmonte z Instytutu Salka w USA.
Zespół Belmonte rozpoczął eksperymenty poprzez wprowadzenie komórek macierzystych szczura do zarodka myszy, coś co robiono już wcześniej. Przy użyciu narzędzi edycji genów usunięto geny myszy odpowiedzialne za rozwój poszczególnych narządów i zastąpiono je szczurzymi odpowiednikami.
- Szczurze komórki mają funkcjonalną kopię genu brakującego u myszy, dzięki czemu mogą one z powodzeniem wypełnić lukę w manipulowanym genomie - powiedział dr Jun Wu, który brał udział w eksperymentach.
Zobacz również:
Podobny proces został przeprowadzony z użyciem ludzkich komórek macierzystych. Wcześniej próbowano wprowadzić je do mysich zarodków, ale wyniki takich eksperymentów były niesatysfakcjonujące. Belmonte i Wu wraz z 40-osobowym zespołem naukowców postanowili wprowadzić ludzkie komórki macierzyste do komórek krów i świń. Eksperymenty na krowach okazały się zbyt kosztowne, zatem cały nacisk położono na świnie.
Nawet to nie było łatwe. Ciąża u świń trwa mniej niż 4 miesiące, więc rozwój zarodka jest znacznie szybszy niż u ludzi. Z 2075 zarodków użytych w eksperymencie, tylko 186 z nich rozwinęło się do etapu 28-dniowego.
- To tak, jakby samochód jadący normalną prędkością, wjechał na autostradę. Różne prędkości skutkują większą liczbą wypadków - porównał Belmonte.
Naukowcom ostatecznie udało się wprowadzić ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) do komórek świńskich, tworząc chimeryczny zarodek. Trzeba podkreślić, że był on tylko w 0,001 proc. ludzki. Zdecydowana większość materiału genetycznego pochodziła od świni. Mimo tego, uczeni zaobserwowali pierwsze oznaki działania ludzkich komórek.
- Jest to pierwszy raz, gdy ludzkie komórki rosną wewnątrz tak dużego zwierzęcia. Ludzi i świnie dzieli długi czas w ewolucji - wyjaśnił Belmonte.
Zarodki zniszczono po upływie 3-4 tygodni, po osiągnięciu maksymalnego etapu pozwalającego prawnie na hodowlę. Przez zniszczeniem, prezentowały one dobrą żywotność. Mimo że do etapu hodowli ludzkich narządów w ciałach innych zwierząt jest jeszcze daleko, naukowcy są przekonani, że chimery z większym stopniem ludzkich komórek mogłyby być przydatne, m.in. do przesiewowych badań leków przed testami u ludzi, lepszego zrozumienia pierwszych etapów rozwoju ludzkich zarodków czy wyjaśnienia różnic między organami u różnych gatunków.
- Uzyskanie wydajności w zakresie od 0,1 do 1 proc. ludzkich komórek powinno wystarczyć. Nawet na tym wczesnym etapie 28 dni, miliardy komórek w zarodku miałyby miliony komórek ludzkich, które można by wykorzystać do dalszych badań - powiedział Wu Raport opublikowany w czasopiśmie "Cell" (wydawanym przez Instytut Biologii Komórkowej w Szanghaju) wskazuje, że to osiągnięcie jest dopiero pierwszym krokiem, a wizja hodowli ludzkich narządów w ciałach innych zwierząt jest wciąż odległa.
Zobacz również:
Badania tego typu budzą z oczywistych względów kontrowersje. Amerykański Instytut Zdrowia przez wiele lat podchodził z dużą dozą rezerwy do badań obejmujących krzyżowanie materiału genetycznego zwierząt i ludzi. W sierpniu 2016 roku podjęto decyzję o zdjęciu blokady na wykonywanie tego typu badań, jednak sam instytut bardzo dokładnie przygląda się placówkom specjalizującym się w takich przedsięwzięciach.
Naukowcy z Instytutu Salka zapewniają, że nie ma dowodów, aby ludzkie komórki były zaangażowane w proces formowania wczesnej postaci tkanki mózgowej. Nie ma podstaw, by wierzyć, że w wyniku tego typu eksperymentów mogłyby powstawać świnie z ludzkimi mózgami. Nie wszyscy naukowcy się z tym zgadzają, neurolog Steve Goldman z Uniwersytetu Rochester, zajmujący się badaniami komórek macierzystych korzystając z myszy, uważa, że przedsięwzięcia naukowe o tej tematyce mogą prowadzić do "mrocznej strony" nauki.
Naukowcom udało się także wyhodować zarodek owcy zawierający niewielką ilość ludzkiego DNA. Stworzone zarodki nie były półludźmi-półowcami i powstały zgodnie z obowiązującymi normami. Wszystkie embriony zniszczono w ciągu czterech tygodni od powstania.
- Nawet dziś najlepiej dobrane organy - z wyjątkiem tych, które pochodzą od bliźniąt jednojajowych - nie są przeszczepiane na zawsze, ponieważ nasz układ immunologiczny nieustannie je atakuje - powiedział dr Pablo Ross z Uniwersytetu Kalifornijskiego, który brał udział w badaniach.
Uczeni wprowadzili dorosłe komórki macierzyste do zarodka owcy znajdującego się we wczesnym stadium rozwoju. Obserwowano jego wzrost przez 28 dni. Szacuje się, że około jedna na 10 000 komórek w zmodyfikowanych zarodkach miała pochodzenie ludzkie. Nigdy wcześniej nie udało się opracować takich chimer. Dotychczasowym rekordzistą były świńskie embriony, w których jedna na 100 tys. komórek pochodziła od człowieka.
Narządy z drukarki 3D
Ambitnym planem wydaje się być zastosowanie technologii druku 3D do wytwarzania funkcjonalnych organów. Rozwiązanie to wciąż jest obarczone poważnymi ograniczeniami, ale naukowcy stale robią zauważalne postępy. Uczeni z Uniwersytetu w Buffalo stworzyli nową, szybką technikę druku 3D, która przybliża nas do zastosowania jej w transplantologii. Jest ona szczególnie dobrze dostosowana do drukowania komórek z sieciami naczyń krwionośnych, co jest kluczowe dla ludzkich tkanek i organów.
Technologia jest od 10 do 50 razy szybsza niż standard przemysłowy i sprawdza się przy dużych rozmiarach próbek. Wykorzystuje technologię druku 3D zwaną stereolitografią i hydrożele. Naukowcy opracowali metodę szybkiego drukowania modeli hydrożelowych o wielkości centymetra. Ich proces znacznie zmniejsza deformację części i uszkodzenia komórek spowodowane długotrwałym narażeniem na stres środowiskowy, jaki występuje w typowych procesach druku 3D.
Dużym problemem dla transplantologów są także przeszczepy kości. Obecnie najczęściej stosowaną metodą naprawy są autologiczne (pochodzący z własnego organizmu) przeszczepy kości - pobiera się je z jednego miejsca od pacjenta i wszczepia w inne (najczęściej wykorzystuje się kość strzałkową). Jednak transplantacje te mają wysoki wskaźnik infekcji i nie sprawdzają się, jeśli potrzeba dużo materiału kostnego.
Naukowcy już od dłuższego czasu starają się stworzyć substytut kości, który nie będzie odrzucany przez organizm. Dużego postępu dokonali w 2016 roku uczeni z Uniwersytetu Northwestern, tworząc wydrukowany materiał stanowiący rusztowanie dla kości - połączenie hydroksyapatytu (minerału budującego kości) z polikaprolaktonem (biokompatybilnym polimerem).
Niedawno zespół uczonych z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Sydney wymyślił tusz, który może być drukowany 3D w środowisku wodnym, naśladującym ludzkie ciało. Tusz w temperaturze pokojowej przybiera postać pasty, ale po umieszczeniu go w żelatynie twardnieje w nanokrystaliczną matrycę, podobną do struktury prawdziwej tkanki kostnej.
- W przeciwieństwie do poprzednich materiałów, nasza technika oferuje sposób na drukowanie konstrukcji in situ, które naśladują strukturę i chemię kości - powiedział dr Iman Roohani, bioinżynier z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, jeden z autorów odkrycia.
Technika ta jest o tyle rewolucyjna, że biotusz może być drukowany razem z żywymi komórkami, pozwalając tym samym na bezpośrednie wprowadzanie ich do ludzkiego organizmu. Naukowcy próbują teraz drukować duże struktury i testować je na zwierzętach, aby sprawdzić czy technika ta jest skuteczna.
Gdy czas ucieka
Równolegle z poszukiwaniami nowych źródeł narządów do przeszczepów, naukowcy stale usprawniają istniejące już protokoły. Od momentu pobrania organu od dawcy i umieszczenia go w lodzie, jego komórki zaczynają umierać. Niestety, tego wyścigu z czasem często nie udaje się wygrać. Jest to poważny problem zwłaszcza dla serc, ponieważ ok. 70 proc. tego typu organów nie zdążą do biorcy na czas.
Mogą minąć maksymalnie cztery godziny od momentu, gdy serce wyciąga się z ciała dawcy i wkłada do klatki piersiowej biorcy. Niedokrwienie narządu zaczyna się natychmiast po odłączeniu go od naczyń krwionośnych ciała.
- Serce musi trafić do biorcy w ciągu czterech godzin. Biorąc pod uwagę czas i położenie geograficzne, mamy ograniczone możliwości w dopasowaniu serca do właściwego biorcy. Mamy jednak urządzenie, które może wydłużyć czas przechowywania serca poza ciałem do 24 godzin - powiedział dr Rafael Veraz z Uniwersytetu Teksańskiego w San Antonio.
Technologia nazwana ULiSSES (Universal Limb/organ Stasis System for Extended Storage) wykorzystuje perfuzję, aby utrzymać komórki pobranego organu stale odżywione i dotlenione. Opóźnia to śmierć komórek, co jest kluczem do wydłużenia przydatności organu do przeszczepu.
- Wyniki histologii wykazały nienaruszone jądra kardiomiocytów, brak widocznych uszkodzeń komórek serca i brak oznak infiltracji komórek zapalnych. Używanie naszej maszyny może utrzymać integralność mięśni serca nawet przez 24 godziny od wyjęcia go z ciała dawcy - powiedział dr Rafael Veraz.
System ULiSSES przetestowano na sercach pięciu świń. Umieszczono je w urządzeniu natychmiast po śmierci zwierząt. Maszyna utrzymywała bicie serca z częstotliwością 60 uderzeń na minutę, a sam organ znajdował się w temperaturze 4oC. Serce zostało zalane roztworem Krebsa-Henseleita, który dostarczył tlen i składniki odżywcze dla komórek.
Teraz naukowcy badają możliwości urządzenia. Chcą sprawdzić, czy serce, które było przechowywane w lodzie przez godzinę, nie straci swoich właściwości po umieszczeniu w ULiSSES-ie. Oczywiście, technologia może być przydatna także w przypadku innych organów do przeszczepów.
Kryzys w transplantologii nie zniknie z dnia na dzień, ale mamy coraz większy arsenał, by go pokonać. Nawet jeżeli będziemy musieli nieco "nagiąć" zasady, by stało się to faktem, gra jest warta świeczki. Według serwisu Statista, rocznie na całym świecie przeprowadza się ok. 150 tys. transplantacji. Byłoby ich na pewno więcej, gdyby dostępność narządów była większa. Liczba oczekujących jest ogromna - co dziewięć minut pojawia się na niej nowa pozycja.