A 3D-technológia a jövő kulcsa

Egy zseniálisan megszerkesztett rendszer

2018. július elsejétől dékánként vezeti a Pécsi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Karát dr. Nyitrai Miklós egyetemi tanár, aki a Biofizikai Intézet vezetőjeként munkatársaival együtt a hallgatók képzeletét igencsak megmozgató alkalmazott biofizikai előadásokat tartott Marosvásárhelyen.

– Professzor úr, árulja el, milyen különleges tulajdonságokkal rendelkeznek a biofizikusok, hogy a magyarországi orvosi egyetemeken ők kerültek a dékáni tisztségbe?

– Igen, majdnem volt egy olyan időszak is, amikor mind a négy orvoskar élén biofizikus állt. Szegeden váltottak, de a debrecenit, a budapestit és a pécsit jelenleg is biofizikusok vezetik. Nem tudom, hogy van-e ennek valami átfogó indoka, vagy egyszerűen csak így alakult. Bár nem gondolkoztam ezen, némi humorral kijelenthetném, hogy a biofizikusok a legokosabbak az összes oktató közül. De egy hivatalos indoklásból azért kihagynám, mert nem tűnik sem szerénynek, sem igaznak. Az igazi ok az lehet, hogy a biofizikai intézetek kiszámítható terhelést jelentenek az ott dolgozó oktatóknak, kutatóknak, és a jelek szerint elég erősek ahhoz, hogy egy szakembert nélkülözni tudjanak a napi működésükből. Kétségtelen, hogy ha valakit dékánnak választanak, akkor kevesebb ideje jut az intézeti munkára. 

– Hogyan, miért lett biofizikus? 

– Az akkor még Kossuth Lajos nevét viselő, ma Debreceni Tudományegyetem fizika szakán végeztem 1993-ban. Mivel akkor Magyarországon erősebb volt még az elméleti fizika, amit egy kicsit száraznak találtam, szerettem volna az élő rendszerek, a biológia felé elmozdulni. Jól szétnéztem a debreceni élettani intézetben, a gerontológián és a biofizikán. Még az Egyesült Államokban való továbbtanuláson is gondolkoztam, de családi okokból úgy döntöttem, hogy külföldre nem megyek. Végül a szerencse meg a véletlen terelt erre a pályára. Az egyetem focicsapatában együtt játszottam Somogyi Béla professzor úr fiával, Somogyi Gáborral. Egy sérülést követően egy ideig a kispadról néztem a meccseket, Somogyi professzor úr ugyanonnan a fiát, és közben beszélgettünk. 1992-ben a professzor úr Debrecenből megpályázta a Pécsi Orvostudományi Egyetem Biofizikai Intézetének az igazgatói állását. Miután elnyerte, szólt nekem, hogy menjek Pécsre, ahol vár rám egy patinás biofizikai intézet, és legyek ott kutató. Miután elbeszélgettünk a biofizikáról, eldöntöttem, hogy vállalom. 1993-ban kézhez kaptam a diplomát, egy hónap múlva már Pécsen voltam. 

– Olvastam, hogy érdeklődési területe, kutatásai két fontos témára összpontosulnak. Ezek egyike a sejtet alkotó citoszkeletális fehérjék. Milyen szerepük van a sejt működésében?

– A citoszkeleton a sejtek belső vázát jelenti. Szerepét úgy kell elképzelnünk, mint a csontvázét az emberi szervezet felépítésében és működésében. Ez a sejtváz fehérjékből áll. Alapvetően három nagy filamentális fehérjecsalád építi fel. Egy zseniálisan megszerkesztett rendszert jelent, ami ad egy mechanikai stabilitást a sejtnek, hogy felvehesse azt az alakot, ami az adott körülmények között szükséges, és mivel nem egy merev rendszer, gyorsan és a megfelelő irányban nagyon szoros szabályozás alatt változni is tud. Szerintem az tehát a gyönyörű benne, hogy egyszerre kell elég merevnek és elég változtathatónak is lennie, és mindkettőt teljesíti. Egy nagyon bonyolult rendszerről lévén szó, annak megértését, hogy ezt a rengeteg folyamatot, feladatot hogyan látja el a sejtváz, és azt mi szabályozza, ma is érdemes kutatni, és pontosabban megérteni.

– Munkájuk során milyen eredményekre jutottak? 

– A három filamentális rendszer közül a mikrofilamentumokat választottuk kutatásaink céljául. A mikrofilamentumok fehérje alapját az aktin polimerek adják. Történelmi érdekesség, hogy az aktint Magyarországon fedezték fel és nevezték el. Az első cikk maga a felfedező, Straub F. Brunó professzor tollából jelent meg 1942-ben. A Studies 1, 2, 3 második részének az első cikke volt, amit Szegedről közöltek, és Svájcban jelent meg Szent-Györgyi Albert szerkesztésében, mert akkoriban olyan idők voltak, hogy erre nyílt lehetősége. 1993 óta különféle biofizikai módszerekkel az aktin filamentum és a szabályozásában részt vevő különböző fehérjék kölcsönhatását vizsgáljuk. Eredményeink jelentős része ennek a szabályozásnak a pontosabb megértése felé tartott: például megnéztük, hogy amikor szükséges, milyen hatásra kezd el polimert formálni az aktin, vagy mikor kezd el az aktív polimer apró kis építőköveire lebomlani. Az aktin partnerei több mint hatvan különböző fehérjecsaládból származnak, és ez egy óriási, több tízezer fehérjét tartalmazó tárház. Ennek egyes aspektusait sikerült pontosabban megérteni. Ha össze kellene foglalni, az egyik fontos állítás, ami kutatásaimból kiderül, az, hogy az aktin polimerek aktív filamentumok, és nemcsak mint merev kötelek vesznek részt a sejtbéli folyamatokban. Maguk is aktív résztvevők, a saját tulajdonságaikkal és kölcsönhatásaikkal is hozzájárulnak a szabályozási folyamatok működéséhez.

Mostanában az aktin sejtbéli feladatainak egy vonatkozását is vizsgáljuk. A sejtek között időnként, ha megfelelők a körülmények, pici csövek alakulnak ki. Ezek a picike csövek membránfehérjékből és membránlipidekből állnak, átmérőjük kisebb, mint egy mikrométer, és ezért nanocsöveknek nevezik őket. A nanocsövek a sejtek között alakulnak ki, de jelenleg egyáltalán nem ismerjük pontosan, hogy mi és hogyan megy keresztül, áramlik át ezeken a csöveken. Azt tudjuk, hogy például vírusok is tudnak közlekedni a sejtek között, vagy például át tud menni egy-egy kis golyócska, amit vezikulának hívunk, és különböző fehérjéket tartalmaz. Vagy vannak olyan esetek, amikor a mitokondriumok is átadásra kerülnek két sejt között a nanocsöveken keresztül. Nagyon izgalmas lenne megérteni, hogy mi szabályozza ezeket a folyamatokat. Nagyon sok esetben azt látjuk, hogy ami átadásra kerül, olyan nagy, hogy jóformán el sem kellene hogy férjen a nanocsövekben, nemhogy mozogjon. Most úgy tűnik, hogy az egyik sejt a másiknak küld ezeken a nanocsöveken keresztül valamit, de hogy ezt miért, mikor, milyen erők hatására, és milyen szabályozás alatt teszi, még nem világos. Mivel ezt még senki nem érti pontosan a világon, kollégáimmal vizsgálni kezdtük, hogy mi lehet a hátterében.

– Hogy talál mindehhez a 3D-technológia, amely a mélységérzet hozzáadásával három dimenzióban tud megjeleníteni, kinyomtatni egy tárgyat?

– Ez egy másik része az életünknek, és a sejtbiológiai vizsgálatokban úgy tud részt venni, hogy ha a különböző vizsgálatokhoz különböző kis edénykéket vagy felületeket hozunk létre, amit 3D-s technológiával meg tudunk tenni, de egyébként maga a 3D egy teljesen más csapásirány szerint szerveződik a Pécsi Tudományegyetemen fiatal kollégám, dr. Maróti Péter szakmai vezetésével. 

– Az előadásokat követően mintha azt láttam volna, hogy beültetendő implantátumokat lehet pontosan megtervezni, megalkotni ezzel a technológiával. 

– A jó kifejezés inkább az, hogy személyre szabottan, ami azt jelenti, hogy az implantátum a páciens esetében pontosan illeszkedik az adott helyre. Ez alapvetően nem pusztán műszaki pontosságot jelent, hanem azt, hogy a páciensnek ismerjük a leleteit, az MRI-, a CT-felvételeket, és ennek alapján pontosan a számára tervezzük meg, amit szeretnénk. Erről a technológiáról alapvetően azt szeretném elmondani, hogy önmagában pusztán egy nagyon kifinomult, nagyon ügyes eszköz, de valójában a felhasználó esze, képzettsége, ötletei, ügyessége dönti el, hogy mennyire lesz hatékony. Az implantátumok mellett több ezer nagyon izgalmas alkalmazása van, akár az épületek modellezésében, vagy amikor a gépészmérnökök egy új alkatrészt vagy elemet szeretnének létrehozni, egy prototípus legyártásában ugyanis a 3D-technológia kifejezetten hasznos lehet. Vagy említhetjük a képzőművészeteket is. Ha a szobrász megálmodja azt a formát, amelyet létre akar hozni, nemcsak azok az eszközei vannak, hogy kőből-fából kifaragja vagy kiönti valamilyen fémből, hanem 3D-nyomtatóval is ki tudja nyomtatni. 

– Számomra rendkívül érdekesnek tűnik, ahogy a számítógép, a program képes rétegenként egymásra építeni az anyagot.

– Ez a műszaki tudományoknak a sikere. Azt gondolom, hogy ma már a 3D-nyomtatás, amit esetenként akár 16-20 mikrométer felbontással, pontossággal lehet végezni, a mérnökök munkáját dicséri, mi csak felhasználók vagyunk. 

– Ha valakinek történetesen a csigolyák közé a porcot kell beültetni, akkor is igénybe lehet venni a háromdimenziós nyomtatást, vagy ahhoz nem szükséges ennyire személyre szabott implantátumot készíteni?

– Amikor a 3D-nyomtatásról általánosságban beszélünk, még mindig az van az emberek fejében, hogy élettelen anyagot, műanyagot vagy fémet nyomtatunk vele. Élő porcszövetet nem lehet sem fémből, sem műanyagból nyomtatni. Az élettelen nyomtatásnak a sebészetben abban lehet szerepe, hogy a műtét során elvégzendő feladatokhoz műtéti sablonokat készítünk. Ha több tizedmilliméterrel elcsúszik esetleg egy fúrás, egy beavatkozás egy gerincműtétnél, az nagyon komoly gondot jelenthet. A rendelkezésünkre álló képek alapján viszont meg lehet tervezni azokat a műtéti sablonokat, amelyeket a testre rögzítünk, és amelyek mentén elvégezzük a különböző műveleteket, például a fúrást. Egy másik nagyon izgalmas dolog, ami még kutatások tárgyát képezi, a bioprinting. Ezt mi is végezzük, kutatjuk Pécsett dr. Pongrácz Judit vezetésével. A lényege az, hogy nem élettelen, hanem élő anyagból, sejtekből hozunk létre három dimenzióban megjelenő formát. 

– Hogyan lehetséges?

– Alapvetően fontos és nehéz, hogy a sejteket életben kell tartani mind a nyomtatás előtt, mind közben, ami a sejtbiológusok és molekuláris biológusok számára nagyon komoly feladat. Akárcsak a műanyagot, a sejteket is el lehet helyezni térben. Ebben például az a nehéz, hogy miképpen maradnak a helyükön a térben. Ezt kétféleképpen lehet megoldani. Először építhetünk nekik egy vázszerkezetet olyan műanyagból, ami biológiailag lebomló, tehát a későbbiek során kikerül a szervezetből. Erre a mondjuk fül alakú vázszerkezetre pakoljuk rá a megfelelő sejteket, hagyjuk, hogy összeérjenek, szövetté váljanak, rendszert alkossanak, majd a biológiailag lebomló műanyag kikerüljön a rendszerből, és marad egy szövetében, alakjában megfelelő fül. Ez egy eljárás. Egy másik szerint, attól függően, hogy milyen alakot akarunk nyomtatni, és milyen sejtek felhasználásával, egyszerűen úgy pakoljuk egymásra a sejteket, hogy közben gondoskodunk a köztük levő kötőanyagról, extracelluláris ragasztóanyagról, és ők maguk válnak, alakulnak át egy megfelelő biológiai, akár humán szövetté is. E tekintetben az előttünk álló távlatok szédítőek. Abban kell óvatosnak lenni, hogy ma még a fantáziánk távolabbra szárnyalt, mint ahol a valóság tart.

– A sejtek a befogadó egyén szövetéből vagy máshonnan is eredhetnek?

– A legkifinomultabb alkalmazások egyike az lehet, amikor a szövetet attól az adott személytől vesszük, akit gyógyítunk. Erre jó lehetőségnek tűnik a zsírszövet például, aminek a kis mennyiségben való eltávolítása az egyén életben maradása szempontjából szinte lényegtelen. A zsírszövetből vonjuk ki az őssejtjeit, amelyek még nem indultak el a differenciálódás útján, de elindíthatók. Attól függően, hogy milyen szervet vagy testrészt szeretnénk pótolni, annak megfelelően kelldifferenciáltatni, azaz speciális sejtekké változtatni az őssejteket, ami egyébként rendkívüli tudást igényel, majd létrehozni azt, amit akarunk, és visszaadni a páciensnek, akinek szüksége van rá. A bőrpótlásoknál például ez ma már reálisnak látszó lehetőség. 

– Egyéb területen jobbára még csak elmélet vagy nem?

– Már nem csak elmélet, például a csontok, porcok, fogak estében vannak már gyakorlatilag is megvalósítható eljárások. Hogy mennyire kerültek be a hétköznapi betegellátásba, mennyire kifinomultak, és technológiájukban mennyire alkalmasak a tömeggyártásra, az nagyon sokszínű. Gyermekcipőben jár még ez a terület, ahhoz képest, ahova eljuthat, de ez a cipő már most is szép. 

– A 3D-technológiát illetően mire a legbüszkébbek a pécsi orvoskaron?

– Az első, amire büszkék lehetünk, a PTE 3D Központjának létrehozása. Az én olvasatomban a központ eddigi legnagyobb eredménye, hogy húsz fiatal, jól képzett szakembert foglalkoztat, és sok további kutatót vonz. Mivel a központ egyfajta mágnesként működött, oda lehetett csábítani olyan szakembereket, akik mind ott, mind máshol fontos szerepet játszanak majd egyetemünk tudományos életében. De volt már olyan műtéti beavatkozás is, ahol a 3D-alkalmazások segítségével lehetett például korszerű módon szívet operálni, amiben a műszaki kollégák is segítséget nyújtottak. Nagyon sok szép eredményt értek el a Műszaki Kar munkatársai is, akik a gépészetben, építészetben az alkalmazások terén használták ezt a technológiát. Fontosnak tartom, hogy a központ bioprintinggel foglalkozó lába kifejezetten izgalmas eredményeket ért el, és ezt a továbbfejlesztések terén is figyelembe vesszük. Sok jó eredmény van tudományos vagy akár az ipari alkalmazások tekintetében. Másfelől pedig a 3D-központ szellemi műhelyként kezdett el működni, ami nagyon fontos egy egyetemen. Az a tény, hogy itt az utánpótlást képezzük, vagy idehozzuk akár külföldről is azokat a szakembereket, akik a céljainkat tudják támogatni, a jövő kulcsa. 

– Miért vállalta a professzor úr a dékáni tisztséget, és mit szeretne megvalósítani?

– Talán most érkezett el az életem egy olyan ponthoz, amikor, akár a korábbi angol program felelőseként vagy dékánhelyettesként, valamennyire kezdtem belelátni azokba a rendszerekbe, amelyeken egy egyetemi kar működése alapszik. Most vagyok abban a korban, amikor úgy érzem, hogy van hozzá kedvem, energiám, ambícióm, látok egy sor kiváló szakembert, akikkel jó együtt dolgozni, akikkel összefogva hatékonyak tudunk lenni, és úgy érzem, hogy még van pár olyan elképzelésem, amelyeknek a megvalósításával ezt a kart szolgálni tudom. 

– Ha egyet közülük elárulna…

– Magyarországon jelenleg a négy orvosképző hely erőfeszítéseinek köszönhetően képzéseink korszerűsítése zajlik. Az egyik legambiciózusabb és legfontosabb tervünk, hogy a klinikai oktatásban részt vevő oktatóinkat próbáljuk meg jobban támogatni az infrastruktúra, a fogyóeszközök és más szempontokból is, hogy a klinikai gyakorlati képzésben, ami jelenleg viszonylag nagy létszámú hallgatói csoportokban folyik, a kis csoportokon alapuló oktatást vezessük be. Mindez elmondva nem tűnik bonyolultnak, kivitelezni viszont rendkívül nehéz, de látunk már most is szép sikereket benne, és hiszem, hogy végig tudjuk vinni, mert egyébként ez a jövő útja is.