Od 3D tlače k ​​3D organovej tlači, ako ďaleko je ľudský život v tlači?

Od 80. rokov 20. storočia až dodnes prešla 3D tlač dlhú cestu. Biologická 3D tlač, ako dôležité odvetvie 3D tlače, zaznamenala od svojho návrhu okolo roku 2000 veľký pokrok.

Samozrejme, biologická 3D tlač má tiež mnoho úrovní vrátane výrobných štruktúr bez požiadaviek na biokompatibilitu, ako je napríklad 3D tlač produktov na plánovanie chirurgických ciest, ktoré sú v súčasnosti široko používané, výroba nerozložiteľných produktov s požiadavkami na biokompatibilitu, ako sú spoje z titánovej zliatiny, silikónové protézy na opravu defektov a výrobu odbúrateľných produktov s požiadavkami na biokompatibilitu, ako je aktívna keramická kosť a rozložiteľné cievne stenty, ale najdôležitejšia a najzaujímavejšia je 3D tlač orgánov, ktoré manipulujú so živými bunkami, aby vytvorili bionické trojrozmerné tkanivá.

Kvôli túžbe človeka po predĺžení života možno povedať, že tlač orgánov je snom ľudstva už tisíce rokov a tlač života je konečným želaním ľudstva. Teraz sa ľudia snažia ponáhľať za konečným prianím ľudstva.

Prečo potrebujem 3D tlač orgánov?

Realizácia biologickej 3D tlače úzko súvisí s tkanivovým inžinierstvom a regeneratívnou medicínou. Regenerácia tkaniva je koniec, zatiaľ čo tkanivové inžinierstvo je prostriedkom.

Medzi nimi koncept tkanivového inžinierstva navrhol Feng Yuanzhen, čínsky americký vedec, a bol určený Národnou vedeckou nadáciou Spojených štátov v roku 1987. Tkanivové inžinierstvo sa týka ukladania buniek na biologické lešenia, aby sa vytvorili komplexy bunkového materiálu a potom implantovanie skeletov obsahujúcich bunky do tela na vyvolanie tvorby zodpovedajúcich tkanív alebo orgánov pomocou prostredia in vivo, aby sa dosiahlo hojenie rany a funkčná rekonštrukcia. Konvenčným spôsobom tkanivového inžinierstva je oddelenie výroby skafoldov od bunkovej adhézie, ale je ťažké dosiahnuť ukladanie rôznych typov a hustôt buniek v rôznych polohách skeletov. Biologická 3D tlač dokáže realizovať viacbunkovú priestorovú smerovú manipuláciu a kontrolovateľnú depozíciu rôznych bunkových hustôt, čo práve rieši súčasné ťažkosti, ktorým čelí tkanivové inžinierstvo.

Výroba aktívnych tkanív alebo orgánov in vitro bola už dlho cieľom neúnavného úsilia ľudí. Na jednej strane existuje obrovská medzera v transplantácii orgánov. Doteraz sa mnohé zdravotné problémy, ako je zlyhanie obličiek a zhubné nádory, stále liečia transplantáciou orgánov. Pri alogénnych transplantáciách orgánov však vždy bol nedostatok darcov. Na domácej aj medzinárodnej úrovni nie je v dôsledku nedostatočného darcovstva orgánov úspešnosť zhody vysoká a pacienti, ktorí potrebujú transplantáciu orgánov, môžu len čakať.

V Spojených štátoch podľa siete na zdieľanie orgánových zdrojov (UNOS) zomiera jeden pacient každých 1,5 hodiny, pretože nemôže čakať na vhodnú transplantáciu orgánu, a viac ako 8 miliónov pacientov potrebuje každý rok operácie súvisiace s opravou tkaniva. V Číne potrebuje podľa štatistík približne 1,5 milióna ľudí každý rok transplantáciu orgánov kvôli zlyhaniu orgánov v konečnom štádiu, ale len približne 10 000 ľudí môže každý rok dostať transplantáciu orgánov a obmedzený zdroj živých orgánov nemôže uspokojiť potreby pacientov.

Ak si vezmeme ako príklad transplantáciu obličky, každý rok sa transplantuje 3 000 pacientov a dopyt je až 300 000. Väčšina pacientov sa môže zhoršiť alebo dokonca zomrieť počas čakania na ligandy. Zároveň sa počet pacientov, ktorí potrebujú transplantáciu orgánov v Číne stále každoročne zvyšuje o viac ako 10 percent. Okrem toho sa po transplantácii orgánov vyskytujú imunitné odmietavé reakcie, čo si vyžaduje dlhodobú imunosupresívnu liečbu.

Vzhľadom na to je naliehavo potrebná účinná metóda na vyriešenie nedostatku darcovských orgánov a rejekčnej reakcie pri transplantácii orgánov. Vznik a rýchly vývoj technológie biologickej 3D tlače poskytuje úplne nové riešenie problému nedostatku tkanív alebo orgánov – Biologická 3D tlač dokáže priamo tlačiť živé orgány alebo tkanivá in vitro alebo in vivo pomocou živých buniek odvodených z ich vlastných dospelých kmeňových buniek. indukované a diferencované in vitro ako suroviny, čím nahrádzajú orgány alebo tkanivá so stratenými funkciami.

V súčasnosti biologická 3D tlač dosiahla určité úspechy v oblasti transplantácie orgánov a uplatnila sa pri regenerácii a rekonštrukcii kože, kostí, umelých krvných ciev, cievnych dlah, srdcových tkanív a štruktúr chrupaviek.

Na druhej strane súčasný výskum medicínskych mechanizmov potrebuje presnejšie modely in vitro. Tradičné riešenia sú často založené na dvojrozmernej bunkovej kultúre a pokusoch na zvieratách. Metóda založená na dvojrozmernej bunkovej kultúre je však veľmi odlišná od trojrozmerného prostredia v skutočnom tele a v niektorých prípadoch môžu existovať protichodné výsledky, čo obmedzuje referenčnú hodnotu. Okrem mnohých etických problémov pri pokusoch na zvieratách je najzásadnejšie, že medzi vnútorným prostredím zvierat a prostredím človeka je veľký rozdiel.

Inými slovami, ak možno ľudské bunky použiť na rekonštrukciu trojrozmerného prostredia tkanív alebo orgánov in vitro, defekty existujúcich roztokov sa dajú dobre kompenzovať a konštrukcia tkanív alebo orgánov in vitro sa môže nepochybne široko použiť v liečivách. skríning a skúmanie mechanizmu ochorenia.

Čo to prinesie ľuďom, je skok vpred v presnej medicíne a personalizovanej medicíne. Koniec koncov, existujú špecifiká a rozdiely vo fyzickej štruktúre a patologických stavoch každého človeka, najmä u pacientov so zložitými a zriedkavými stavmi. Vzhľadom na vysoké riziko chirurgického zákroku môžu lekári pomocou technológie 3D tlače vytlačiť pacientove patologické partie v pomere 1:1, aby bolo možné realizovať predoperačné plánovanie a presné vŕtanie zložitých, zriedkavých a zložitých prípadov.

Toto môže poskytnúť lekárom nielen presné trojrozmerné štrukturálne údaje na navrhovanie chirurgických plánov, ale aj náhľad na celý chirurgický proces a zlepšiť chirurgické plánovanie za predpokladu intuitívnejšieho a realistickejšieho, aby sa zlepšila presnosť skutočnej operácie a znížila chirurgické riziko. Okrem toho pre rôznych pacientov môžu personalizované chirurgické návody pomocou 3D tlače účinne znížiť traumu a krvácanie po operácii, výrazne skrátiť čas operácie a zlepšiť presnosť operácie.

Preto v porovnaní s tradičnou medicínskou technológiou dokáže technológia 3D tlače na základe rešpektovania a zvládnutia individuálnych rozdielov realizovať skutočné personalizované prispôsobenie a spresniť lekárske ošetrenie.

Budúcnosť je čoraz jasnejšia

V roku 2003 Thomas Boland z Clemson University úspešne zrealizoval tlač živých buniek pomocou modifikovanej tlačiarne HP (h550c) a atramentovej kazety (hp51626a), pufra PBS obsahujúceho bunky vaječníkov čínskeho škrečka (CHO) a bunky embryonálnych motorických neurónov myší ako „bio atrament“. a sójový agar / kolagénový gél ako „bio papier“ a publikoval svoj prvý článok o bunkovej bio tlači, o ktorom informovali médiá vrátane American Science Journal a CNN. V roku 2004 výskumná skupina požiadala o prvý patent na tlač buniek a orgánov a autorizáciu patentu získala v roku 2006. Neskôr bola technológia autorizovaná Organovo, slávna spoločnosť zaoberajúca sa biologickou 3D tlačou kótovaná na NASDAQ.

Odvtedy 3D tlačené orgány oficiálne vstúpili do vývojového pruhu a priniesli mnoho nádejí do regeneratívnej medicíny. V decembri 2010 Organovo vyrobilo prvú biotlačenú ľudskú krvnú cievu pomocou novogénu MMX. Odvtedy spoločnosť vytlačila aj malé vzorky kostrového svalstva, kostí a pečeňového tkaniva, úspešne implantovala nervy do chrbtice a stanovila dlhodobý plán výroby ľudských transplantovaných tkanív. Spočiatku sa táto tlač na požiadanie zameriavala najmä na opravu myokardu, transplantáciu nervov alebo arteriálnych segmentov, pretože tieto tkanivá sú relatívne malé a ľahšie sa tlačia a tiež je väčšia možnosť klinickej aplikácie.

V roku 2012 škótski vedci prvýkrát použili ľudské bunky na tlač umelého pečeňového tkaniva pomocou 3D tlačiarne. V tom istom roku verejné lekárske centrum Michiganskej univerzity vytvorilo umelú priedušnicu pomocou technológie 3D tlače a uskutočnilo prvú operáciu transplantácie ľudského orgánu pomocou 3D tlače na svete. Toto je prvýkrát, čo ľudia používajú 3D tlačené diely na pomoc pri organizácii a reorganizácii. Bol publikovaný v New England Journal of Medicine v máji 2013.

V ďalšom úplne inom vývoji v decembri 2012 Organovo oznámilo, že spolupracovalo s Autodeskom na výrobe prvého 3D návrhového softvéru pre biotlač. Otvára novogen MMX viacerým používateľom, čím zlepšuje dostupnosť a funkčnosť biotlače.

Ako povedal Keith Murphy, predseda predstavenstva a generálny riaditeľ spoločnosti Organovo, dlhodobým cieľom nového partnerstva spoločnosti s Autodeskom je „usilovať sa o to, aby si zákazníci sami navrhli 3D organizácie, a potom prenechali Organovo zodpovednosť za výrobu“. Rovnako ako teraz môžu sochári nahrať nový šperk výrobcom šperkov, môžu 3D vytlačiť plastové alebo kovové predmety. V budúcnosti môžu lekári posielať aj elektronické modely transplantácií tepien alebo celých orgánov do Organova na biotlač a potom Organovo pošle hotové výrobky späť. V roku 2012 MIT Technology Review zaradil Organovo medzi 50 najinovatívnejších spoločností na svete a v roku 2010 časopis Time zaradil novogen MMX ako jeden z najlepších vynálezov roka.

V roku 2013 bol FDA schválený prvý personalizovaný 3D tlačový implantát lebky na svete (americká spoločnosť OPM). Vo februári toho istého roku zverejnili vedci z Cornell University v Spojených štátoch správu, že na tlač umelých uší v 3D tlačiarni použili bunky hovädzieho uší, ktoré je možné použiť na transplantáciu orgánov u detí s vrodenými vývojovými chybami.

V novembri 2014 spoločnosť Organovo uviedla na trh svoje komerčne dostupné 3D tlačené tkanivo ľudskej pečene exvive3dtm na predklinické testovanie liekov.

V apríli 2015 Organovo na konferencii Experimental Biology v Bostone oznámilo prvé 3D biotlačené údaje o tkanive celého bunkového obličkového tkaniva na svete. Súčasné obličkové tkanivo môže za normálnych laboratórnych podmienok prežiť len niekoľko dní, zatiaľ čo 3D vytlačené obličkové tkanivo Organovo môže vydržať „najmenej dva týždne“.

V Číne viedol tím profesor Yan Yongnian z Tsinghua University okolo roku 2002 k uskutočneniu výskumu technológie biologickej 3D tlače. V roku 2004 viedol tím k dokončeniu systému priameho písania buniek a bunkovej tlače a založil medzinárodne pokročilé biologické výrobné inžinierstvo laboratórium, známe ako „prvá osoba v 3D tlači v Číne“.

V auguste 2013 spoločnosť Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (skrátene regenovo) spolupracovala s vedcami z Hangzhou University of Electronic Science and Technology a ďalšími univerzitami na úspešnom vývoji 3D tlačiarne, ktorá dokáže súčasne tlačiť biologické materiály a živé bunky. V októbri 2015 spoločnosť genefit uviedla na trh tretiu generáciu biologickej 3D tlačovej stanice, ktorá úspešne „vytlačila“ pečeňové jednotky v dávkach na skríning liekov.

V súčasnosti, s pokrokom a vyspelosťou technológie 3D biotlače, je budúcnosť 3D biotlače čoraz jasnejšia.

Pred 3D tlačou orgánov

Svetlá budúcnosť však neznamená, že proces je hladký. Biologická 3D tlač je napokon interdisciplinárnym odvetvím medicíny, biologických vied, materiálovej vedy, informačných technológií, tkanivového inžinierstva, výroby, klinických skúšok atď. Tri najdôležitejšie podmienky pre tlač živého orgánu sú bunky, lešenie a indukcia.

Technológia priameho zostavovania buniek sa vzťahuje na priame zostavenie buniek alebo materiálov bunkovej matrice do požadovaných štruktúr podľa 3D dátových modelov a nakoniec vytvorenie živého tkaniva alebo orgánu následnou kultiváciou.

Technológia nepriameho zostavovania buniek sa vzťahuje na vybudovanie skeletu bunkovej kultúry s biomateriálmi, následné pripojenie buniek k zodpovedajúcim pozíciám skeletu podľa požadovaných štruktúr prostredníctvom 3D modelov a následné prinútenie buniek, aby prežili, aby sa kultivovali do živých tkanív a orgánov.

Mali by sme však vedieť, že štruktúra samotného orgánu je veľmi zložitá a v orgáne je viac ako jedna bunka. Ako dosiahnuť komplexné usporiadanie viacerých buniek a udržať ich rast je stále zložitý problém, ktorému čelí tlač orgánov. Ako príklad si vezmite krvné cievy. Krvné cievy vyzerajú jednoducho v štruktúre, ale v skutočnosti, okrem toho, že majú viacero vrstiev rôznych bunkových tkanivových štruktúr (typické krvné cievy sa skladajú hlavne z endotelu, hladkého svalstva a fibroblastov), ​​cievna stena má aj funkcie selektívnej permeability, elasticita steny krvných ciev a antikoagulácia, ktoré veľmi sťažujú výrobu aktívnych krvných ciev in vitro na nahradenie chorých krvných ciev in vivo.

Okrem toho, ako zabezpečiť, aby materiál lešenia bol netoxický a vhodný pre ľudské telo, aby bunky mohli normálne rásť, a ako vyvolať rast buniek, aktivovať vytlačený orgán a úplne nahradiť pôvodný orgán. riešiť.

Napokon, používanie takýchto orgánov prinesie aj sériu úvah o ľudskej povahe a morálke. Tolerantné prostredie verejnej mienky, ktoré umožňuje aplikáciu súvisiacich technológií, je stále vo výstavbe. Táto pochybnosť o tlačiarenských orgánoch sa naplno prejavila v krátkom sci-fi románe „Centrum udalostí“ od nidi okolafer.

V románe sa správa, že nigérijskému prezidentovi fengmimu transplantovali srdce, rozšírila ako požiar, čo vyvolalo celonárodné pobúrenie. Na rozdiel od súčasných predpokladov vedcov, umelé srdce, ktoré pripravilo centrum podujatia pre prezidenta, už nepochádza zo zvierat, ale je založené na rastlinnom tkanive, využívajúc autológne kmeňové bunky a technológiu 3D tlače.

Aj keď táto technológia v románe dozrela, v románe sa Yiqi, hlavný chirurg zo Spojených štátov, stále obáva o efektivitu operácie. Ak Izziho pochybnosti súvisia hlavne s úspechom alebo neúspechom samotnej technológie, puč, ktorý spustil prezidentov synovec sibbi a bývalý generál ochchuku, sa dotkol ďalšieho problému, ktorý táto technológia prináša: dôjde po transplantácii srdca k výraznej zmene temperamentu? , alebo dokonca možnosť byť kontrolovaný? Táto špekulácia nie je nevyprovokovanou domnienkou. V skutočnom svete majú mnohí pacienti po transplantácii pečene v určitom časovom období zmeny osobnosti a koreňom môžu byť endokrinné regulačné zmeny spôsobené odmietavými reakciami.

Kľúčom k tejto obave je: čo sú ľudia? Máme sa spoliehať na kompletný súbor pôvodných orgánov, alebo na telo a myseľ, ktoré dokážu myslieť a konať nezávisle? Aj keď vývoj techniky takmer nezávisí od vôle ľudstva, stále je potrebné byť opatrný v súvislosti s duálnou povahou technológie. Je potrebné si uvedomiť, že séria otázok o tom, či je technológia dobrá alebo zlá, je často nevyhnutnou cestou v procese popularizácie technológie, to znamená, že „v minulosti to bolo rozmarné, teraz je to ťažké a v budúcnosti je to zvykom“. Koniec koncov, keď sa vytvorí technológia, musíme sa najviac starať o to, ako ju čo najlepšie využiť.

3D tlačené orgány nám možno sľubovali krásnu budúcnosť, ale kým budúcnosť príde, musíme túto technológiu správne pochopiť a nevybaviť ju technickou etikou a pravidlami používania – v skutočnosti biologická 3D tlač ani zďaleka nedosahuje pôvodná myšlienka tlače orgánov a tlače živých orgánov in vitro, ktoré možno použiť na transplantáciu, má pred sebou ešte dlhú cestu.

dôležitá klauzula