Od 3D štampanja do 3D štampe organa, koliko je čovek daleko od života štampanja?

Od 1980-ih do danas, 3D štampa je prešla dug put. Biološka 3D štampa, kao važna grana 3D štampe, napravila je veliki napredak od kada je predložena oko 2000. godine.

Naravno, biološko 3D štampanje takođe ima mnogo nivoa, uključujući proizvodne strukture bez zahteva za biokompatibilnost, kao što je 3D štampanje proizvoda za planiranje hirurške staze, koji se danas široko koriste, proizvodnja nerazgradivih proizvoda sa zahtevima za biokompatibilnost, kao što su spojevi od legure titanijuma, silikonske proteze za popravku defekta i proizvodnju razgradivih proizvoda sa zahtjevima biokompatibilnosti, kao što su aktivna keramička kost i razgradivi vaskularni stentovi, ali najvažnije i najzabrinjavajuće je 3D štampanje organa koji manipulišu živim ćelijama za izgradnju bioničkih trodimenzionalnih tkiva.

Zbog ljudske želje za produženjem života, može se reći da je štampanje organa san čovečanstva hiljadama godina, a štamparski život je krajnja želja čovečanstva. Sada ljudi pokušavaju da jure ka konačnoj želji čovečanstva.

Zašto mi treba 3D štampanje organa?

Realizacija biološke 3D štampe usko je povezana sa tkivnim inženjeringom i regenerativnom medicinom. Regeneracija tkiva je cilj, dok je tkivni inženjering sredstvo.

Među njima, koncept tkivnog inženjeringa je predložio Feng Yuanzhen, kinesko-američki naučnik, a odredila ga je Nacionalna naučna fondacija Sjedinjenih Država 1987. godine. Inženjering tkiva se odnosi na taloženje ćelija na biološke skele kako bi se formirali kompleksi ćelijskog materijala, i zatim implantiranje skela koje sadrže ćelije u tijelo kako bi se potaknulo formiranje odgovarajućih tkiva ili organa korištenjem okruženja in vivo, kako bi se postigla popravka rane i funkcionalna rekonstrukcija. Konvencionalna metoda tkivnog inženjeringa je odvajanje izrade skela od stanične adhezije, ali je teško postići taloženje različitih tipova i gustina ćelija na različitim pozicijama skela. Biološko 3D štampanje može da realizuje višećelijsku prostornu usmerenu manipulaciju i kontrolisano taloženje različitih gustina ćelija, što upravo rešava trenutne poteškoće sa kojima se suočava inženjering tkiva.

Dugo vremena, proizvodnja aktivnih tkiva ili organa in vitro bila je cilj neumorne potrage ljudi. S jedne strane, postoji ogroman jaz u transplantaciji organa. Do sada se mnogi medicinski problemi, kao što su zatajenje bubrega i maligni tumori, još uvijek liječe transplantacijom organa. Međutim, uvijek je postojao nedostatak donora za alogenu transplantaciju organa. I na domaćem i na međunarodnom nivou, zbog nedovoljne donacije organa, uspješnost uparivanja nije visoka, a pacijenti kojima je potrebna transplantacija organa mogu samo čekati.

U Sjedinjenim Državama, prema Mreži za dijeljenje resursa organa Sjedinjenih Država (UNOS), jedan pacijent umre svakih 1,5 sat jer ne može čekati odgovarajuću transplantaciju organa, a više od 8 miliona pacijenata svake godine treba operacije vezane za popravak tkiva. U Kini, prema statistikama, oko 1,5 miliona ljudi treba transplantaciju organa svake godine zbog završnog stadijuma zatajenja organa, ali samo oko 10 000 ljudi može dobiti tretman transplantacije organa svake godine, a ograničeni izvor živih organa ne može zadovoljiti potrebe pacijenata.

Uzimajući za primjer transplantaciju bubrega, svake godine se transplantira 3000 pacijenata, a potražnja je čak 300 000. Većina pacijenata može samo pogoršati ili čak umrijeti dok čekaju na ligande. U isto vrijeme, broj pacijenata kojima je potrebna transplantacija organa u Kini se i dalje povećava za više od 10 posto svake godine. Osim toga, postoje reakcije imunološkog odbacivanja nakon transplantacije organa, što zahtijeva dugotrajno imunosupresivno liječenje.

S obzirom na to, hitno je potrebna efikasna metoda za rješavanje nedostatka donorskih organa i reakcije odbacivanja u transplantaciji organa. Pojava i brzi razvoj tehnologije biološke 3D štampe pružaju potpuno novo rješenje za problem nedostatka tkiva ili organa - Biološki 3D print može direktno štampati žive organe ili tkiva in vitro ili in vivo koristeći žive ćelije izvedene iz vlastitih odraslih matičnih ćelija inducirani i diferencirani in vitro kao sirovine, zamjenjujući tako organe ili tkiva izgubljenim funkcijama.

Trenutno je biološka 3D štampa postigla određena dostignuća u oblasti transplantacije organa, a primenjuje se u regeneraciji i rekonstrukciji kože, kostiju, veštačkih krvnih sudova, vaskularnih udlaga, srčanog tkiva i struktura hrskavice.

S druge strane, trenutno istraživanje medicinskih mehanizama zahtijeva preciznije in vitro modele. Tradicionalna rješenja se često temelje na dvodimenzionalnoj kulturi stanica i eksperimentima na životinjama. Međutim, metoda zasnovana na dvodimenzionalnoj ćelijskoj kulturi se veoma razlikuje od trodimenzionalnog okruženja u stvarnom telu, au nekim slučajevima može doći do kontradiktornih rezultata, što referentnu vrednost čini ograničenom. Pored mnogih etičkih problema u eksperimentima na životinjama, najvažnije je da postoji velika razlika između unutrašnjeg okruženja životinja i čovekovog okruženja.

Drugim riječima, ako se ljudske stanice mogu koristiti za rekonstrukciju trodimenzionalnog okruženja tkiva ili organa in vitro, defekti postojećih rješenja mogu se dobro nadoknaditi, a konstrukcija tkiva ili organa in vitro nesumnjivo može biti široko korištena u medicini. skrining i istraživanje mehanizama bolesti.

Ono što će ovo donijeti ljudima je iskorak u preciznoj medicini i personaliziranoj medicini. Uostalom, postoje posebnosti i razlike u fizičkoj strukturi i patološkim stanjima svake osobe, posebno kod pacijenata sa složenim i rijetkim stanjima. Uzimajući u obzir visok rizik od operacije, liječnici mogu uz pomoć tehnologije 3D printanja ispisati patološke dijelove pacijenta u omjeru 1:1, kako bi izvršili preoperativno planiranje i precizne vježbe za složene, rijetke i teške slučajeve.

Ovo ne samo da liječnicima može pružiti precizne trodimenzionalne strukturne podatke za dizajniranje hirurških planova, već i pregledati cijeli hirurški proces i poboljšati hirurško planiranje pod pretpostavkom intuitivnijeg i realnijeg, kako bi se poboljšala točnost stvarne operacije i smanjila hirurški rizik. Osim toga, za različite pacijente, 3D printanje personaliziranih hirurških vodiča može učinkovito smanjiti traumu i krvarenje operacije, uvelike skratiti vrijeme operacije i poboljšati točnost operacije.

Stoga, u poređenju sa tradicionalnom medicinskom tehnologijom, na osnovu uvažavanja i savladavanja individualnih razlika, tehnologija 3D štampanja može ostvariti stvarno personalizovano prilagođavanje i učiniti medicinski tretman preciznijim.

Budućnost je sve jasnija

Godine 2003, Thomas Boland sa Univerziteta Clemson uspješno je realizovao štampanje živih ćelija koristeći modifikovani HP štampač (h550c) i kertridž sa mastilom (hp51626a), PBS pufer koji sadrži ćelije jajnika kineskog hrčka (CHO) i ćelije embrionalnog motornog neurona miša kao "bio mastilo", i sojin agar/kolagen gel kao "bio papir", i objavio svoj prvi rad o biološkom štampanju ćelija, o čemu su izvještavali mediji uključujući American Science Journal i CNN. 2004. godine, istraživačka grupa je prijavila prvi patent za štampanje ćelija i organa, a 2006. dobila je patentnu dozvolu. Kasnije je tehnologija odobrena Organovu, poznatoj kompaniji za biološko 3D štampanje koja je uvrštena na NASDAQ.

Od tada su 3D printani organi također službeno ušli u razvojnu stazu i unijeli mnoge nade u regenerativnu medicinu. U decembru 2010. godine, Organovo je proizveo prvi bioprintirani ljudski krvni sud koristeći novogen MMX. Od tada, kompanija je takođe štampala male uzorke skeletnih mišića, koštanog i jetrenog tkiva, uspešno implantirala nerve u kičmu i utvrdila dugoročni plan za proizvodnju ljudskih transplantiranih tkiva. Isprva se ova štampa na zahtjev uglavnom fokusirala na popravku miokarda, transplantaciju živaca ili arterijskih segmenata, jer su ta tkiva relativno mala i lakša za štampanje, a mogućnost kliničke primjene je također veća.

Škotski naučnici su 2012. godine prvi put koristili ljudske ćelije za štampanje veštačkog tkiva jetre pomoću 3D štampača. Iste godine, javni medicinski centar Univerziteta u Mičigenu kreirao je veštački dušnik tehnologijom 3D štampanja i izveo prvu operaciju transplantacije ljudskog organa na svetu 3D štampanom. Ovo je prvi put da ljudi koriste 3D štampane dijelove kako bi pomogli u organizaciji i reorganizaciji. Objavljeno je u časopisu New England Journal of medicine u maju 2013.

U drugom potpuno drugačijem razvoju u decembru 2012. godine, Organovo je objavilo da je sarađivalo sa Autodeskom na proizvodnji prvog softvera za 3D dizajn za bioprint. Otvara novigen MMX za više korisnika, čime se poboljšava dostupnost i funkcionalnost bioprintinga.

Kako je rekao Keith Murphy, predsjednik i izvršni direktor Organova, dugoročni cilj novog partnerstva kompanije sa Autodeskom je „nastojati da se kupcima omogući da sami dizajniraju 3D organizacije, a zatim da Organovo bude odgovoran za proizvodnju“. Baš kao što kipari sada mogu otpremiti novi nakit proizvođačima nakita, oni mogu 3D ispisati plastične ili metalne predmete. U budućnosti, liječnici mogu slati i elektronske modele transplantacija arterija ili cijelih organa u Organovo na bioštampanje, a zatim će Organovo vraćati gotove proizvode. Godine 2012. MIT Technology Review svrstao je Organovo kao jednu od 50 najinovativnijih kompanija na svijetu, a 2010. magazin Time je novigen MMX rangirao kao jedan od najboljih izuma godine.

U 2013. godini, FDA je odobrila prvi personalizirani 3D proizvod za 3D štampanje peek lobanje (američka kompanija OPM). U februaru iste godine, istraživači sa Univerziteta Cornell u Sjedinjenim Državama objavili su izvještaj da su koristili ćelije goveđeg uha za štampanje umjetnih ušiju na 3D printeru, koji se može koristiti za transplantaciju organa djeci s kongenitalnim malformacijama.

U novembru 2014. Organovo je lansirao svoje komercijalno dostupno 3D štampano ljudsko tkivo jetre exvive3dtm za pretkliničko testiranje lijekova.

U aprilu 2015. godine, Organovo je na konferenciji Experimental Biology u Bostonu najavio prve 3D bioprintane podatke o tkivu bubrega u svijetu. Sadašnje bubrežno tkivo može preživjeti samo nekoliko dana u normalnim laboratorijskim uslovima, dok Organovo 3D štampano bubrežno tkivo može trajati "najmanje dvije sedmice".

U Kini, profesor Yan Yongnian sa Univerziteta Tsinghua vodio je tim da sprovede istraživanje o biološkoj tehnologiji 3D štampanja oko 2002. Godine 2004. vodio je tim da dovrši sistem direktnog pisanja ćelija i štampanje ćelija, i uspostavio međunarodno napredni inženjering biološke proizvodnje laboratoriju, poznat kao "prva osoba u 3D štampanju u Kini".

U avgustu 2013. Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (skraćeno regenovo) sarađivao je sa naučnicima sa Univerziteta za elektronsku nauku i tehnologiju u Hangzhouu i drugih univerziteta kako bi uspješno razvili 3D štampač koji može istovremeno štampati biološke materijale i žive ćelije. U oktobru 2015. godine, Genefit je lansirao treću generaciju radne stanice za biološko 3D štampanje, koja je uspješno "štampala" jedinice jetre u serijama za skrining lijekova.

Danas, s napretkom i zrelošću tehnologije 3D bioprintinga, budućnost 3D bioprintinga je sve svjetlija.

Prije 3D štampanja organa

Međutim, svetla budućnost ne znači da proces teče glatko. Na kraju krajeva, biološka 3D štampa je interdisciplinarna industrija medicine, nauka o životu, nauke o materijalima, informacionih tehnologija, tkivnog inženjeringa, proizvodnje, kliničkih ispitivanja i tako dalje. Tri najvažnija uslova za štampanje živog organa su ćelije, skele i indukcija.

Tehnologija direktnog sastavljanja ćelija odnosi se na direktno sastavljanje ćelija ili materijala ćelijskog matriksa u željene strukture prema 3D modelima podataka, i konačno formiranje živog tkiva ili organa kroz naknadnu kulturu.

Tehnologija indirektnog sastavljanja ćelija odnosi se na izgradnju skele za ćelijsku kulturu sa biomaterijalima, zatim pričvršćivanje ćelija na odgovarajuće pozicije skele u skladu sa potrebnim strukturama kroz 3D modele, a zatim induciranje ćelija da prežive kako bi se uzgajale u živim tkivima i organima.

Međutim, treba znati da je struktura samog organa veoma složena i da u jednom organu postoji više ćelija. Kako postići složen raspored više ćelija i održati njihov rast još uvijek je težak problem s kojim se susreće štampanje organa. Uzmimo krvne sudove kao primjer. Krvni sudovi izgledaju jednostavno u strukturi, ali u stvari, osim što imaju više slojeva različitih struktura ćelijskog tkiva (tipični krvni sudovi se uglavnom sastoje od endotela, glatkih mišića i fibroblasta), zid krvnih sudova ima i funkciju selektivne permeabilnosti, elastičnost stijenke krvnih žila i antikoagulacija, što otežava proizvodnju aktivnih krvnih žila in vitro za zamjenu oboljelih krvnih žila in vivo.

Osim toga, problemi su i kako osigurati da materijal skele nije toksičan i pogodan za ljudsko tijelo, kako bi stanice mogle normalno rasti, te kako inducirati rast stanica, aktivirati ispisani organ i potpuno zamijeniti originalni organ. da se reši.

Konačno, upotreba takvih organa također će donijeti niz razmatranja o ljudskoj prirodi i moralu. Tolerantno okruženje javnog mnijenja koje omogućava primjenu srodnih tehnologija je još uvijek u izgradnji. Ova sumnja u štampanje orgulja u potpunosti se odrazila u kratkom naučnofantastičnom romanu "centar događaja" Nidija okolafera.

U romanu, vijest da je nigerijskom predsjedniku Fengmiju transplantirano srce proširila se poput šumskog požara, što je izazvalo nacionalno negodovanje. Za razliku od trenutnih pretpostavki naučnika, veštačko srce koje je pripremio centar za događaje za predsednika više nije izvedeno od životinja, već se zasniva na biljnom tkivu, koristeći autologne matične ćelije i tehnologiju 3D štampanja.

Iako je ova tehnologija sazrela u romanu, u romanu je Yiqi, glavni hirurg iz Sjedinjenih Država, i dalje zabrinut za efikasnost operacije. Ako su Izzijeve sumnje uglavnom povezane s uspjehom ili neuspjehom same tehnologije, državni udar koji je pokrenuo predsjednikov nećak sibbi i bivši general Ochchuku dotaknuo se još jednog problema koji donosi tehnologija: hoće li doći do velike promjene u temperamentu nakon transplantacije srca , ili čak mogućnost kontrole? Ova spekulacija nije ničim izazvana pretpostavka. U stvarnom svijetu, mnogi pacijenti sa transplantacijom jetre imaju promjene ličnosti u određenom vremenskom periodu, a korijen mogu biti endokrine regulatorne promjene uzrokovane reakcijama odbacivanja.

Ključ ove brige je: šta su ljudi? Trebamo li se osloniti na kompletan set originalnih organa ili tijelo i um koji mogu samostalno razmišljati i djelovati? Iako razvoj tehnologije teško zavisi od volje čovječanstva, ipak je potrebno biti oprezan u pogledu dvojne prirode tehnologije. Treba priznati da je niz pitanja o tome da li je tehnologija dobra ili loša često neizbježan put u procesu popularizacije tehnologije, odnosno „u prošlosti je bilo hirovito, sada je teško, a u budućnosti to je uobičajeno". Na kraju krajeva, kada je tehnologija stvorena, kako da je najbolje iskoristimo je ono o čemu najviše treba da brinemo.

3D štampani organi su nam možda obećali prelepu budućnost, ali pre nego što budućnost dođe, ono što još treba da uradimo je da pravilno razumemo ovu tehnologiju i da je ne obdarimo tehničkom etikom i pravilima upotrebe - u stvari, biološko 3D štampanje je daleko od dostizanja originalna ideja štampanja organa, i in vitro štampanja živih organa koji se mogu koristiti za transplantaciju, još uvek ima dug put.

važna klauzula