Silmän varaosia 3D­-biotulostimesta

Ihmiskehon uusiutumiskyky on ihmeellinen – tiettyyn rajaan saakka. Joskus ainoa mahdollisuus on kudos- tai elinsiirto, mutta luovuttajista on pulaa. Tulevaisuudessa ihmisen varaosia, kuten sarveiskalvoja, voi valmistaa myös 3D-biotulostusmenetelmin elävistä soluista.

Diplomi-insinööri Paula Puistola kehitti väitöstutkimuksessaan sarveiskalvon biotulostukseen sopivia uusia ei-eläinperäisiä biomusteita, ja uudenlaisen solujen kasvua tukevan monimateriaalitulostusmenetelmän.

– Sarveiskalvosokeutta hoidetaan yleensä kuolleiden luovuttajien sarveiskalvosiirteillä, joista sitten otetaan potilaalle tarvittavat sarveiskalvon kerrokset, Paula Puistola kertoo.

Pula siirteistä on huutava: vain yksi seitsemästäkymmenestä tarvitsijasta saa sellaisen. Maailman miljoonat hoidettavissa olevat sarveiskalvosokeutumiset jäävät tästä syystä hoitamatta.

3D-tulostus on lääketieteessä jo ahkerassa käytössä esimerkiksi yksilöllisten hammaskruunujen ja proteesien valmistuksessa. 3D-biotulostus astuu askeleen pitemmälle, sillä tulostusmateriaalina ovat herkät elävät solut, jotka pitää saada kasvamaan osaksi potilaan elimistöä.

Jokainen 3D-tulostinta käyttänyt tietää, että esimerkiksi rikkoutuneiden koneenosien 3D-mallinnus ja sopivan tulostusmateriaalin valinta on vaikeaa hommaa. Kun tulostettavana on elävä kudos, vaikeusaste kasvaa entisestään.

– Pitää miettiä esimerkiksi, miten saat pidettyä solut hengissä.

Eläviä musteita

Paula Puistolan työkalu väitöstyössä oli 130 kilogramman painoinen 3D-Bioplotter-biotulostin, joka puristaa tulostusmateriaalin petrimaljalle ohuiksi kerroksiksi vain 0,1 millimetrin paksuisen suuttimen läpi.

Tulostimen ”musteet” ovat vesipitoisia geelejä, jossa eläviin kantasoluihin on sekoitettu tukimateriaaliksi hyaluroni­happoa tai kollageenia, kosmetiikan käyttäjille tuttuja aineita.

Oma lukunsa on ihmisen varaosien 3D-suunnittelu. Esimerkiksi silmän sarveiskalvon keskiosan, strooman, hienorakenne muodostuu ristikkäin ladotuista kollageenisäikeistä. Tätä evoluution luomusta Puistola imitoi monitorin ja hiiren äärellä, 3D-tulostinta ohjaavan mallinnusohjelmiston avustuksella.

Hienopiirteisten kudosrakenteiden tulostusta helpottaa Puistolan väitöskirjassaan kehittämä monimateriaalitulostus. Väitöskirjan uusimmassa julkaisussa Puistola käytti peräti kolmea erilaista tulostusmateriaalia. Käyttämällä biomusteissa erilaisia solutyyppejä saavat tutkijat kudostulosteistaan huomattavasti tarkemmin luontoa jäljitteleviä.

Mutta tämäkään ei vielä riitä, jotta biotulostetut kudokset kelpaisivat potilaskäyttöön.

– Pelkkä 3D-muoto ei vielä riitä, vaan tuloste pitää saada myös muodostamaan elävä kudos.

Tämä on jo todellista science fictionia: miten saada tulostimesta tullut hauras solukko pysymään elävänä – ja kasvamaan lopulliseen muotoonsa?

Tämä tapahtuu viljelemällä tulostetta parin viikon ajan inkubaattorissa, hyvin ravittuna ja kasvun kannalta optimaalisissa olosuhteissa. Jos kaikki menee hyvin, siitä muotoutuu elävä ja riittävän jämäkkä sarveis­kalvokudos, joka voidaan asentaa osaksi potilaan elimistöä ilman hylkimisreaktioita.

Rasvasolut kierrätykseen

Yleensä biotulostustekniikan kehittäjät käyttävät raaka-aineena kuolleiden luovuttajien kudoksista lainattuja soluja.

– Mutta koska sarveiskalvosiirteistä on jo valmiiksi pulaa, niin niiden käyttö biomusteisiin pahentaa tilannetta entisestään, kertoo Puistola.

Sen takia Tampereen silmäryhmän tutkijat käyttävät niin sanottuja kantasoluja, joilla on kyky sekä lisääntyä että erilaistua eri kudosten soluiksi.

Puistola käytti tulostusmateriaaleina ihmisen rasvakudoksesta eristettyjä rasvankantasoluja ja geenitekniikan keinoin ihmisen tavallisista soluista uudelleen ohjelmoituja erittäin monikykyisiä kantasoluja.

Rasvakantasoluja väitöstutkimustaan varten Puistola sai Tampereen yliopiston kantasoluryhmältä, joka oli eristänyt ne rasvaimupotilailta kerätystä rasvakudoksesta. Laboratoriossa ne saadaan erilaistumaan sarveiskalvon keskiosan soluiksi.

Väitöskirjan tärkein oivallus oli useiden eri biomusteiden ja erilaisten solutyyppien yhdistely sarveiskalvon biotulosteessa.

Luonnon entistä tarkempi jäljittely avaa uusia mahdollisuuksia kudostekniikalle, mutta tuo eteen myös uusia ratkottavia ongelmia.

– Monimateriaalitulostus hankaloittaa solukasvun optimointia ja rakenteen viljelyä, Puistola kertoo.

Uudet reseptit biomusteille

Paula Puistola toivoo väitöskirjansa innostavan muitakin kudostekniikan kehittäjiä monimateriaalitulostuksen pariin.

– Suurin osa tutkimuksista tehdään edelleen yhdellä ainoalla biomusteella.

Muitakin uutuuksia väitöskirjassa oli.

– Meidän biomusteemme olivat aivan uusia.

Väitöstyössä hän käytti kuutta erilaista mustereseptiä, kaikki biohajoavia ja ei-eläinperäisiä.

Puistola kollegoineen onkin perustanut yrityksen väitöskirjan mustereseptejä kaupallistamaan.

Miten lähellä tulostustekniikalla valmistetut sarveiskalvot ovat todellista potilaskäyttöä?

Tähän saakka niitä on testattu vasta eläinkokeissa.

– Tutkimusryhmämme sai juuri johdettavakseen ison EU-hankkeen, Puistola kertoo.

Keratoprinter-hankkeen tavoitteena on biotulostettu sarveiskalvo, joka voidaan viedä kliinisiin kokeisiin ihmisillä.

Ennen sitä pitää vielä ratkoa muutamia tutkimushaasteita.

– Ongelma on ollut esimerkiksi se, miten sarveiskalvosta saadaan mekaanisesti riittävän kestävä, jotta ne voidaan siirtää potilaalle.

Tämä on ollut yksi Puistolan väitöstyön kehityskohteista. Biotulostetut sarveiskalvot joutuvat 1–2 viikon kasvatusjakson päätteeksi tarkkaan syyniin. Mikroskooppikuva paljastaa, miten tarkasti 3D-biotulostin pystyy imitoimaan luontoa. Sarveiskalvon elinkelpoisuus taas selviää Live/Dead-värjäysliuoksella. Mikroskooppikuvassa värit kertovat, ovatko varaosasarveiskalvon solut eläviä vai kuolleita.

– Sarveiskalvo on harvinainen kudos, koska sen pitää olla läpinäkyvä.

Läpinäkyvyys on sekin yksi kasvatusjakson onnistumiskriteereistä.

Kohti hoitoja

Hoitomenetelmiäkin kokeiltiin väitöstyössä, kun tutkijat asensivat biotulostettuja rakenteita kuolleilta sioilta irrotettuihin sarveiskalvoihin.

Tampereen yliopiston silmäryhmä kehittää uusia kudosteknologisia hoitomuotoja silmän verkkokalvon ja sarveiskalvon sairauksien hoitoon.

– Kunnianhimoinen, naisvaltainen ja poikkitieteellinen, kuvaa Puistola professori Heli Skottmanin johtamaa tutkimusryhmäänsä.

– Meillä on kudosteknologiaa ja biomateriaaliosaamista, ihan huippuluokan solubiologia- ja kantasoluosaamista, 3D-kuvantamista ja kemiaa, hän listaa.

Tutkimusryhmässä on syntynyt jo kaksi yritystä. Toinen on Puistolan ja hänen kollegoidensa joulukuussa 2024 perustama biomusteyritys LifeGlue Tecnologies Oy, toinen 2021 perustettu Stemsight, joka kaupallistaa kantasolupohjaista soluterapiaa sarveiskalvo­sokeuden hoitoon.