På andra våningen på Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, inte långt från hissen, finns en samling blekta avtryck som skildrar stora ögonblick i den medicinska historien. På ett av dem håller en gammal babylonisk apotekare en medicinflaska i luften. En annan visar den grekiske läkaren Hippokrates när han tar hand om en patient på 500-talet f.Kr. Utskrifterna delades ut till läkare för ett halvt sekel sedan av läkemedelsföretaget Parke-Davis, som marknadsförde dem som en historisk höjdpunkt. Men det är inte svårt att se deras närvaro på Wake Forest, som är hemvist för den kanske största koncentrationen av medicinska futurister på planeten, som det ultimata skämtet: När jag besökte institutet i den gamla tobaksstaden Winston-Salem i North Carolina gick jag förbi luftiga laboratorier där vitklädda medarbetare gled fram och tillbaka över ett klinkergolv. På ett bord, arrangerat som för en konstutställning, låg spindelformade avgjutningar av njurådror, återgivna i nyanser av violett och indigo och sockervadd. Längre ner i korridoren slängde en maskin sporadiska elektriska strömmar genom två uppsättningar muskelsener, den ena skurna från en råtta, den andra skapad av biomaterial och celler.
En forskare vid namn Young-Joon Seol mötte mig vid dörren till ett rum märkt ”Bioprinting”. Young-Joon, med rufsigt hår och plastbågade glasögon, växte upp i Sydkorea och utbildade sig i maskinteknik vid ett universitet i Pohang. På Wake Forest ingår han i en grupp som arbetar med laboratoriets specialbyggda bioprinters, kraftfulla maskiner som fungerar på ungefär samma sätt som vanliga 3D-skrivare: Ett objekt skannas eller utformas med hjälp av en programvara för modellering. Dessa data skickas sedan till skrivaren, som med hjälp av sprutor lägger på varandra följande lager av material tills ett tredimensionellt objekt uppstår. Traditionella 3D-skrivare brukar arbeta med plast eller vax. ”Det som är annorlunda här”, sade Young-Joon, som drog upp sina glasögon på näsan, ”är att vi har möjlighet att skriva ut något som är levande.”
Han gestikulerade mot maskinen till höger om honom. Den hade en tillfällig likhet med ett av de där klöspelen man hittar på rastplatser vid motorvägar. Ramen var av tung metall och väggarna genomskinliga. Inuti fanns sex sprutor arrangerade i en rad. Den ena innehöll en biokompatibel plast som, när den trycktes ut, skulle bilda den sammanfogade strukturen för en ställning – i princip skelettet – för ett utskrivet mänskligt organ eller en kroppsdel. De andra kan fyllas med en gel som innehåller mänskliga celler eller proteiner för att främja deras tillväxt.
As the scaffold is being printed, cells from an intended patient are printed onto, and into, the scaffold; the structure is placed in an incubator; the cells multiply; and in principle the object is implanted onto, or into, the patient. In time, the object becomes as much a part of the patient’s body as the organs he was born with. ”Det är i alla fall förhoppningen”, sade Young-Joon.
Young-Joon hade programmerat en av skrivarna för att påbörja processen med att skapa en ställning för ett mänskligt öra, och rummet fylldes av en betryggande elektronisk duns som bara bröts av enstaka gaser från skrivaren, dvs. av den komprimerade luft som höll den i gång. När jag tittade genom glasskåpet kunde jag se hur ställningen gradvis började bli till – liten, fin, ytterst öronliknande. Eftersom det skulle ta flera timmar att slutföra processen gav Young-Joon mig en färdig version att hantera. Den var lätt; den vilade på min handflata som en fjäril.
Örets yttre struktur är en av de första strukturer som institutet vid Wake Forest (och andra forskningscentra) har försökt bemästra, som en språngbräda mot mer komplicerade strukturer. Wake Forest-anställda har implanterat bioprinted hud, öron, ben och muskler på försöksdjur, där de framgångsrikt växte in i den omgivande vävnaden.
För evangelisterna av bioprinting, som blir allt fler – antalet 3D-skrivare som levereras till medicinska inrättningar väntas fördubblas under de kommande fem åren – är försöken ett förebud om en värld som först nu börjar komma i fokus: en värld där patienterna beställer ersättningsdelar till sin kropp på samma sätt som de brukade beställa en ersättningsförgasare till sin Chevrolet.
”Tänk på det som Dell-modellen”, säger Anthony Atala, barnurolog och institutets chef, med hänvisning till datorföretagets berömda ”direkta” relationsmodell mellan konsument och tillverkare. Vi satt på Atalas kontor på fjärde våningen i forskningscentret. ”Du skulle ha företag som finns för att bearbeta celler, skapa konstruktioner, vävnad. Din kirurg kan ta en datortomografi och ett vävnadsprov och skicka det till det företaget”, sade han. Ungefär en vecka senare skulle ett organ anlända i en steril behållare via FedEx, redo för implantation. Presto, change-o: En ny del av mig – av dig – tillverkad på beställning.
”Det som är intressant är att det inte finns några verkliga kirurgiska utmaningar”, sade Atala. ”Det finns bara tekniska hinder som man måste övervinna för att se till att den konstruerade vävnaden fungerar korrekt från början.”
Vi närmar oss, med ”enkla” organ som hud, det yttre örat, den rörliknande luftstrupen. Samtidigt kan Atala inte låta bli att titta på vad som kan komma härnäst. När han är som mest optimistisk föreställer han sig gärna en stor bioprintingindustri som kan producera stora och komplexa organ utan vilka kroppen skulle misslyckas, som levern eller njurarna. En industri som skulle kunna göra traditionella transplantationer – med sina långa, ofta dödliga väntetider och den ständigt närvarande risken för avstötning av organ – helt föråldrade.
Det skulle vara en fullständig medicinsk revolution. Den skulle förändra allt. Och om han har rätt skulle Wake Forest, med sina spinnande bioprinters och köttiga öron och flerfärgade vener och artärer, kunna vara platsen där allting börjar.
Tanken att en trasig del av oss själva skulle kunna ersättas med en frisk del, eller en del från någon annan, sträcker sig flera århundraden tillbaka i tiden. Cosmas och Damian, kirurgernas skyddshelgon, påstås ha fäst benet från en nyligen avliden etiopisk moor på en vit romare på tredje århundradet efter Kristus, ett ämne som avbildats av många renässanskonstnärer. På 1900-talet hade medicinen äntligen börjat komma ikapp fantasin. År 1905 lyckades ögonläkaren Eduard Zirm skära upp en hornhinna från en skadad 11-årig pojke och flytta in den i kroppen på en 45-årig tjeckisk lantarbetare vars ögon hade skadats när han släckte kalk. Ett decennium senare utförde Sir Harold Gillies, som ibland kallas plastikkirurgins grundare, hudtransplantationer på brittiska soldater under första världskriget.
Men den första framgångsrika transplantationen av ett större organ – ett organ som är avgörande för människans funktion – skedde inte förrän 1954, när Ronald Herrick, en 23-åring från Massachusetts, donerade en av sina friska njurar till sin tvillingbror Richard som led av kronisk njurinflammation. Eftersom Herrick-tvillingarna hade samma DNA var Joseph Murray, en kirurg vid Peter Bent Brigham-sjukhuset (i dag känt som Brigham and Women’s), övertygad om att han hade hittat en lösning på problemet med avstötning av organ.
I sin självbiografi, Surgery of the Soul, minns Murray triumfens ögonblick. ”Det rådde en kollektiv tystnad i operationssalen när vi försiktigt tog bort klämmorna från de kärl som nyligen fästs vid donatorns njure. När blodflödet återställdes började Richards nya njure att svullna upp och bli rosa”, skrev han. ”Det var flinar överallt.” Med Herricks hade Murray bevisat en viktig poäng om vår biologiska närsynthet, en insikt som driver så mycket av dagens banbrytande bioteknik: Det finns inget substitut för att använda patientens eget genetiska material.
I takt med att den kirurgiska vetenskapen förbättrades tillsammans med de immunosuppressiva behandlingar som gjorde det möjligt för patienterna att acceptera främmande organ, blev det som en gång verkade helt utom räckhåll verklighet. Den första lyckade bukspottkörteltransplantationen genomfördes 1966, de första hjärt- och levertransplantationerna 1967. År 1984 hade kongressen antagit National Organ Transplant Act, som skapade ett nationellt register för matchning av organ och försökte se till att donatororganen fördelades rättvist. På sjukhus runt om i landet meddelade läkarna nyheten så försiktigt de kunde – utbudet möter helt enkelt inte efterfrågan, du måste hålla ut – och i många fall såg de på när patienter dog i väntan på att deras namn skulle komma högst upp på listan. Detta grundläggande problem har inte försvunnit. Enligt det amerikanska hälsoministeriet & Human Services dör 21 personer varje dag enbart i det här landet i väntan på ett organ. ”För mig var efterfrågan inte en abstrakt sak”, berättade Atala för mig nyligen. ”Det var mycket verkligt, det var hjärtskärande och det drev mig. Det drev oss alla att hitta nya lösningar.”
Atala, som är 57 år, är smal och något böjd, med brunt hår och en enkel vänlighet – han uppmuntrar alla att kalla honom Tony. Atala är född i Peru och uppvuxen i Florida. Han fick sin läkarexamen och specialutbildning i urologi vid University of Louisville. År 1990 fick han ett tvåårigt stipendium vid Harvard Medical School. (Idag, vid Wake Forest, blockerar han fortfarande minst en dag i veckan för att träffa patienter). På Harvard anslöt han sig till en ny våg av unga forskare som trodde att en lösning på bristen på organdonatorer skulle kunna vara att i ett laboratorium skapa ersättningsdelar.
Ett av deras första stora projekt var att försöka odla fram en mänsklig urinblåsa – ett relativt stort organ, men ett ihåligt organ, ganska enkelt i sin funktion. Han använde en suturnål för att för hand sy ihop en biologiskt nedbrytbar ställning. Senare tog han urotelceller från blåsan och urinvägarna hos en potentiell patient och förökade dem i laboratoriet, varefter han applicerade cellerna på strukturen. ”Det var som att baka en lagerkaka”, berättade Atala. ”Vi gjorde det ett lager i taget. Och när vi väl hade alla cellerna utplanterade satte vi dem sedan tillbaka i en inkubator och lät det koka.” Inom ett par veckor kom det fram ett litet vitt klot, som inte var så olikt det riktiga klotet.
Mellan 1999 och 2001, efter en rad tester på hundar, transplanterades skräddarsydda urinblåsor till sju unga patienter som led av ryggmärgsbråck, en försvagande sjukdom som ledde till att deras urinblåsor inte fungerade. År 2006 meddelade Atala i en mycket uppmärksammad artikel i Lancet att de biotekniska blåsorna sju år senare fungerade anmärkningsvärt bra. Det var första gången som laboratorieodlade organ framgångsrikt hade transplanterats till människor. ”Detta är ett litet steg i vår förmåga att ersätta skadade vävnader och organ”, sade Atala i ett pressmeddelande vid den tidpunkten och upprepade Neil Armstrongs ord. Det var ett representativt exempel på en av Atalas främsta gåvor. Som David Scadden, direktör för Center for Regenerative Medicine vid Massachusetts General Hospital och meddirektör för Harvard Stem Cell Institute, berättade för mig har Atala ”alltid varit en visionär”. Han har alltid varit ganska djärv och ganska effektiv i sin förmåga att uppmärksamma vetenskapen.”
Bladder var en viktig milstolpe, men de stod inte särskilt högt i kurs när det gällde patienternas efterfrågan. Dessutom kan den flerstegs godkännandeprocess som krävs av den amerikanska läkemedelsmyndigheten Food and Drug Administration för sådana ingrepp ta tid. I dag har de blåsor som Atala konstruerat ännu inte fått något godkännande för utbredd användning. ”När man tänker på regenerativ medicin måste man inte bara tänka på vad som är möjligt, utan också på vad som behövs”, berättade Atala. ”Man måste tänka: ’Jag har bara så här mycket tid, så vad kommer att ha störst möjlig inverkan på flest möjliga liv?'”
För Atala var svaret enkelt. Ungefär åtta av tio patienter på en transplantationslista behöver en njure. Enligt en nyligen gjord uppskattning väntar de i genomsnitt fyra och ett halvt år på en donator, ofta med allvarlig smärta. Om Atala verkligen ville lösa krisen med organbrist fanns det ingen annan utväg: Han måste ta itu med njuren.
Från sitt ursprung i början av 1980-talet, då det till stor del betraktades som ett industriellt verktyg för att bygga prototyper, har 3D-utskrift vuxit till en mångmiljardindustri, med ett allt bredare spektrum av potentiella användningsområden, från designerskor till tandkronor och hemmagjorda plastpistoler. (I dag kan du gå in i en elektronikbutik och köpa en bärbar 3D-skrivare för mindre än 500 dollar). Den första medicinska forskaren som tog steget till levande materia var Thomas Boland som, medan han var professor i bioteknik vid Clemson University i South Carolina, 2003 ansökte om patent på en skräddarsydd bläckstråleskrivare som kunde skriva ut mänskliga celler i en gelblandning. Snart pysslade forskare som Atala med sina egna versioner av maskinen.
För Atala hade löftet om bioprinting allt att göra med skala. Även om han hade lyckats odla ett organ i ett labb och transplantera det i en människa var processen otroligt tidskrävande, precisionen var bristfällig, reproducerbarheten låg och risken för mänskliga fel var allestädes närvarande.
På Wake Forest, där Atala blev institutets grundande direktör 2004, började han experimentera med att skriva ut hud, ben, muskler, brosk och, inte minst, njurstrukturer. Inom några år var han tillräckligt säker på sina framsteg för att visa upp dem. År 2011 höll Atala ett TED-talk om framtiden för biotekniska organ som sedan dess har setts mer än två miljoner gånger. Iförd plisserade khakis och en striktad skjorta med knäppning talade han om den ”stora hälsokris” som organbristen innebär, som delvis är ett resultat av vår längre livslängd. Han beskrev de medicinska utmaningar som innovation och ihärdigt laboratoriearbete har övervunnit: att ta fram de bästa biomaterialen för användning i ställningar, att lära sig hur man odlar organspecifika celler utanför människokroppen och hur man håller dem vid liv. (Han förklarade att vissa celler, t.ex. celler från bukspottkörteln och levern, förblir envist svåra att odla.)
Och han talade om bioprinting, visade en video med några av hans skrivare i arbete i labbet och avslöjade sedan en skrivare bakom honom på scenen som var i full färd med att bygga ett rosa, sfäriskt objekt. Mot slutet av hans föredrag kom en av hans kolleger fram med en stor bägare fylld med en rosa vätska.
Medans publiken satt tyst, sträckte sig Atala ner i bägaren och drog ut vad som verkade vara en slemmig, överdimensionerad böna. I en mästerlig uppvisning i showmanship höll han föremålet framåt i sina kupade händer. ”Ni kan faktiskt se njuren så som den skrevs ut tidigare idag”, sade han. Publiken bröt ut i spontana applåder. Dagen därpå skryter nyhetsorganisationen Agence France-Presse i en vitt spridd artikel om att Atala hade skrivit ut en ”riktig njure” på en maskin som ”eliminerar behovet av donatorer när det gäller organtransplantationer.”
Framtiden var på väg.
Och sedan var den inte det.
Det som Atala hade hållit upp på scenen var i själva verket inte en fungerande mänsklig njure. Det var inert, en extremt detaljerad modell, ett smakprov på vad han hoppades och trodde att bioprinting en dag skulle ge. Om man tittade noga på presentationen kunde man se att Atala aldrig lovade att det han höll i handen var ett fungerande organ. Ändå kastade sig kritikerna över vad de såg som en högklassig övning i specialeffekter.
Förra året tycktes Jennifer Lewis, materialforskare vid Harvard och ledande forskare inom bioprinting (hennes specialitet är att konstruera vaskulariserade vävnader), kritisera Atala i en intervju med New Yorker. ”Jag tyckte att det var vilseledande”, sade hon och hänvisade till TED Talk. ”Vi vill inte ge människor falska förväntningar, och det ger fältet ett dåligt rykte.”
I efterdyningarna av TED Talk gav Wake Forest ut ett pressmeddelande där man betonade att det skulle dröja länge innan en bioprinted njure kunde komma ut på marknaden. När jag frågade Atala om han hade lärt sig något av kontroversen vägrade han att kommentera den direkt och pekade i stället på varför han ogillar att sätta en tidsstämpel på ett visst projekt. ”Vi vill inte ge patienterna falska förhoppningar”, sa han till mig.
Den här uppståndelsen illustrerade på ett snyggt sätt en av de centrala utmaningar som forskare inom området regenerativ medicin står inför: Man vill väcka entusiasm om vad som är möjligt, eftersom entusiasm kan leda till press, finansiering och resurser. Man vill inspirera människor i sin omgivning och nästa generation av forskare. Men man vill inte ge en felaktig bild av vad som är realistiskt inom räckhåll.
Och när det gäller stora, komplicerade organ har området fortfarande en bit kvar att gå. Sätt dig ner med en penna och ett papper och du kan knappast drömma om något mer arkitektoniskt eller funktionellt komplext än den mänskliga njuren. Det knytnävsstora organets inre består av fasta vävnader som genomkorsas av ett invecklat motorvägssystem av blodkärl, som mäter så lite som 0,010 millimeter i diameter, och cirka en miljon små filter, så kallade nefroner, som skickar tillbaka hälsosamma vätskor till blodomloppet och avfall ner till urinblåsan i form av urin. För att bioprinta en njure måste man kunna odla och introducera inte bara fungerande njurceller och nefroner, utan också behärska hur man befolkar organet med ett kärlsystem för att hålla organet försett med det blod och de näringsämnen det behöver. Det är därför som många forskare utforskar alternativ som inte inbegriper att skriva ut dessa strukturer från grunden utan i stället försöker använda de strukturer som redan är utformade av naturen. Vid Texas Heart Institute i Houston experimenterar Doris Taylor, chef för institutets forskningsprogram för regenerativ medicin, med decellulariserade grishjärtan, dvs. organ som i ett kemiskt bad har befriats från muskler och alla andra levande vävnadsceller, så att endast den underliggande kollagenmatrisen återstår. Ett decellulariserat organ är blekt och spöklikt – det liknar en glödpinne som tömts på den lösning som en gång fick den att lysa. Men det viktiga är att processen lämnar organets inre arkitektur intakt, med kärlsystem och allt.
Taylor hoppas en dag kunna använda decellulariserade grishjärtan, återbefolkade med mänskliga celler, för transplantation till mänskliga patienter. Hittills har hennes team injicerat hjärtan med levande nötköttsceller och satt in dem i kor, där de framgångsrikt slagit och pumpat blod tillsammans med kornas ursprungliga, friska hjärta. För Taylor innebär detta tillvägagångssätt att man undviker utmaningarna med att hitta sätt att skriva ut med den otroligt fina upplösning som kärlnätverken kräver. ”Tekniken måste förbättras avsevärt innan vi kan bioprinta en njure eller ett hjärta och få blod till det och hålla det vid liv”, säger Taylor.
Forskare vid Wake Forest experimenterar också med decellulariserade organ från både djur- och människokadaver. Även om Atala ser ersättningsnjuren som sin heliga graal, låtsas han inte om att byggandet av en sådan kommer att vara något annat än en stegvis process som genomförs från flera olika håll. Medan forskarna vid institutet och på andra håll arbetar med att förfina utskriften av organets yttre struktur och inre arkitektur, experimenterar de också med olika sätt att skriva ut och odla blodkärl. Samtidigt finslipar de tekniker för att odla de levande njurceller som krävs för att få allt att fungera, inklusive ett nytt projekt för att föröka njurceller som tagits från en biopsi av en patients friska vävnad.
När vi pratade med varandra betonade Atala att hans mål är att få in ett fungerande, konstruerat stort organ i en människa som desperat behöver det, oavsett om organet var bioprintat eller inte. ”Oavsett vilken teknik som krävs för att nå dit”, sade han.
Och ändå var han snabb med att påpeka att sättet att nå dit inte är oviktigt: I slutändan vill man lägga grunden för en industri som kommer att se till att ingen – vare sig under de kommande decennierna eller under det 22:a århundradet, beroende på hur optimistisk man är – någonsin kommer att vilja ha ett livräddande organ igen. För att göra det kan man inte göra det för hand.
”Du behöver en apparat som kan skapa samma typ av organ gång på gång”, berättade Atala för mig. ”Precis som det var maskintillverkat.”
En eftermiddag stannade jag till vid skrivbordet hos John Jackson, en docent vid institutet. Jackson, 63, är en experimentell hematolog av yrke. Han kom till Wake Forest för fyra år sedan och liknade flytten till institutet, med all dess nästa generations teknik, som att ”gå tillbaka till skolan igen.”
Jackson övervakar utvecklingen av en hudcellsskrivare, som är utformad för att skriva ut en rad levande hudceller direkt på en patient. ”Säg att du har en skada på huden”, föreslår Jackson. ”Du skulle skanna såret för att få fram den exakta storleken och formen på defekten, och du skulle få en 3D-bild av defekten. Sedan kan man skriva ut cellerna” – som odlas i en hydrogel – ”i exakt den form som behövs för att passa in i såret”. Just nu kan skrivaren lägga vävnader i de två översta hudlagren, vilket är tillräckligt djupt för att behandla – och läka – de flesta brännskador. I framtiden hoppas laboratoriet kunna skriva ut djupare under hudytan och skriva ut mer komplicerade hudlager, inklusive fettvävnad och djupt rotade hårsäckar.
Jackson uppskattade att kliniska prövningar skulle kunna inledas inom de närmaste fem åren, i väntan på FDA:s godkännande. Under tiden har hans team haft fullt upp med att testa hudskrivaren på grisar. Han rullade upp en stor affisch som var uppdelad i paneler. I den första fanns ett detaljerat fotografi av ett kvadratiskt sår, ungefär fyra tum på ena sidan, som teknikerna hade skurit på en grisrygg. (Grisarna hade satts under allmänbedövning.) Samma dag hade forskarna skrivit ut celler direkt på såret, en process som tog cirka 30 minuter. På fotografierna efter tryckningen kunde man urskilja en diskrepans i färg och textur: Området var gråare och mattare än naturligt griskött. Men det fanns inga rynkor, ingen upphöjd eller räfflad ärrvävnad, och med tiden smälte gelen mer eller mindre helt in i den omgivande huden.
Hudcellskrivaren är ett av flera aktiva projekt vid institutet som får finansiering från USA:s försvarsdepartement, bland annat initiativ för vävnadsregenerering för ansikts- och könsskador, som båda har varit endemiska bland amerikanska soldater som skadats i de senaste krigen. Förra året meddelade forskare under ledning av Atala att man lyckats implantera vaginor som skapats med hjälp av patienternas egna celler i fyra tonåringar som lider av en sällsynt reproduktionsstörning som kallas Mayer-Rokitansky-Küster-Hauser-syndromet. Wake Forest testar också laboratorieodlade och decellulariserade kadaverpenisar och analsfinkter på djur, med förhoppning om att kunna påbörja försök på människor under de kommande fem åren.
The Peripheral, den nya romanen av futuristen William Gibson, som myntade begreppet ”cyberrymden” och förutsåg större delen av den digitala revolutionen, utspelar sig i en tid då människor kan ”fabulera” – i princip 3D-skriva ut – vad som helst de behöver: droger, datorer, kläder. De begränsas endast av sin fantasi. Ändå fann jag mig själv, böjd över Jacksons affisch, tänka att inte ens Gibson hade förutspått detta: levande kött, på begäran.
Jag gick över till Atalas kontor. Solljuset stänkte över golvet och en hög uppsättning bokhyllor, där det stod foton av Atalas två små söner och flera exemplar av hans lärobok, Principles of Regenerative Medicine.
Han hade varit i operationssalen hela förmiddagen (han är också ordförande för urologi vid den medicinska fakulteten) och räknade inte med att åka hem förrän sent på kvällen, men han var glad och sprudlade av energi. Jag frågade honom om han någonsin funderat på att ge upp sin praktik och enbart fokusera på forskning.
Han skakade på huvudet. ”I slutändan gick jag in i läkaryrket för att ta hand om patienter”, sade han. ”Jag älskar att ha den relationen med familjer och patienter. Men lika viktigt är att det håller mig i kontakt med vilka behov som finns. För om jag ser det behovet på nära håll, om jag kan sätta ansikten på problemen – då vet jag att jag kommer att fortsätta att arbeta med det, fortsätta att försöka ta reda på det”.