Od 3D tiskanja do 3D tiskanja organov, kako daleč je človek od tiskanja življenja?

Od osemdesetih let prejšnjega stoletja do danes je 3D tiskanje šlo daleč. Biološki 3D-tiskanje je kot pomembna veja 3D-tiskanja močno napredovalo, odkar je bilo predlagano okoli leta 2000.

Seveda ima tudi biološko 3D-tiskanje veliko ravni, vključno s proizvodnimi strukturami brez zahtev glede biokompatibilnosti, kot je 3D-tiskanje izdelkov za načrtovanje kirurške poti, ki se trenutno pogosto uporabljajo, proizvodnjo nerazgradljivih izdelkov z zahtevami glede biokompatibilnosti, kot so spoji iz titanove zlitine, silikonske proteze za popravilo napak in proizvodnjo razgradljivih izdelkov z zahtevami po biokompatibilnosti, kot so aktivna keramična kost in razgradljivi vaskularni stenti, vendar je najpomembnejše in najbolj zaskrbljujoče 3D tiskanje organov, ki manipulirajo z živimi celicami za gradnjo bioničnih tridimenzionalnih tkiv.

Zaradi človekove želje po podaljšanju življenja lahko rečemo, da je tiskanje organov sanje človeštva že tisočletja, tiskanje življenja pa je največja želja človeštva. Zdaj ljudje poskušajo hiteti proti zadnji želji človeštva.

Zakaj potrebujem 3D tiskanje orgel?

Izvedba biološkega 3D tiskanja je tesno povezana s tkivnim inženiringom in regenerativno medicino. Regeneracija tkiva je cilj, tkivno inženirstvo pa sredstvo.

Med njimi je koncept tkivnega inženiringa predlagal Feng Yuanzhen, kitajski ameriški znanstvenik, določila pa ga je Nacionalna znanstvena fundacija Združenih držav leta 1987. Tkivno inženirstvo se nanaša na odlaganje celic na biološke odre, da tvorijo celične materialne komplekse in nato vsaditev ogrodij, ki vsebujejo celice, v telo, da se z uporabo okolja in vivo inducira tvorba ustreznih tkiv ali organov, da se doseže popravilo ran in funkcionalna rekonstrukcija. Običajna metoda tkivnega inženirstva je ločiti izdelavo ogrodij od celične adhezije, vendar je težko doseči odlaganje različnih vrst in gostot celic na različnih položajih ogrodij. Biološko 3D tiskanje lahko realizira večcelično prostorsko usmerjeno manipulacijo in nadzorovano odlaganje različnih gostot celic, kar samo rešuje trenutne težave, s katerimi se sooča tkivni inženiring.

Že dolgo je bila izdelava aktivnih tkiv ali organov in vitro cilj neutrudnega prizadevanja ljudi. Po eni strani obstaja velika vrzel pri presajanju organov. Zaenkrat se številne zdravstvene težave, kot so odpoved ledvic in maligni tumorji, še vedno zdravijo s presaditvijo organov. Pri alogenski transplantaciji organov pa je vedno primanjkovalo darovalcev. Tako doma kot v tujini zaradi nezadostnega darovanja organov uspešnost ujemanja ni visoka in bolniki, ki potrebujejo presaditev organov, lahko samo čakajo.

V Združenih državah po podatkih mreže za izmenjavo virov organov (UNOS) en bolnik umre vsake 1,5 ure, ker ne more počakati na ustrezno presaditev organa, več kot 8 milijonov bolnikov pa vsako leto potrebuje operacije, povezane s popravilom tkiv. Na Kitajskem po statističnih podatkih približno 1,5 milijona ljudi vsako leto potrebuje presaditev organov zaradi končne odpovedi organov, vendar le približno 10.000 ljudi lahko vsako leto prejme zdravljenje s presaditvijo organov, omejen vir živih organov pa ne more zadovoljiti potreb bolniki.

Če vzamemo za primer presaditev ledvice, vsako leto presadijo 3000 bolnikov, povpraševanje pa je kar 300.000. Večina bolnikov lahko med čakanjem na ligande samo poslabša ali celo umre. Hkrati se število bolnikov, ki potrebujejo presaditev organov na Kitajskem, vsako leto še vedno poveča za več kot 10 odstotkov. Poleg tega se po presaditvi organa pojavijo imunske zavrnitvene reakcije, ki zahtevajo dolgotrajno imunosupresivno zdravljenje.

Glede na to je nujno potrebna učinkovita metoda za reševanje pomanjkanja organov darovalcev in zavrnitvene reakcije pri presaditvi organov. Pojav in hiter razvoj tehnologije biološkega 3D-tiskanja ponuja povsem novo rešitev za problem pomanjkanja tkiv ali organov - biološko 3D-tiskanje lahko neposredno natisne žive organe ali tkiva in vitro ali in vivo z uporabo živih celic, pridobljenih iz lastnih matičnih celic odraslih inducirane in diferencirane in vitro kot surovine, s čimer nadomeščajo organe ali tkiva z izgubljenimi funkcijami.

Trenutno je biološko 3D tiskanje doseglo določene dosežke na področju presajanja organov in se uporablja za regeneracijo in rekonstrukcijo kože, kosti, umetnih krvnih žil, žilnih opornic, srčnega tkiva in hrustančnih struktur.

Po drugi strani pa trenutne raziskave medicinskih mehanizmov potrebujejo natančnejše in vitro modele. Tradicionalne rešitve pogosto temeljijo na dvodimenzionalni celični kulturi in poskusih na živalih. Vendar se metoda, ki temelji na dvodimenzionalni celični kulturi, zelo razlikuje od tridimenzionalnega okolja v pravem telesu in v nekaterih primerih lahko pride do nasprotujočih si rezultatov, zaradi česar je referenčna vrednost omejena. Poleg številnih etičnih problemov pri poskusih na živalih je najbolj ključno to, da obstaja velika razlika med notranjim okoljem živali in človekovim okoljem.

Z drugimi besedami, če je mogoče človeške celice uporabiti za rekonstrukcijo tridimenzionalnega okolja tkiv ali organov in vitro, je mogoče pomanjkljivosti obstoječih rešitev dobro nadomestiti, konstrukcijo tkiv ali organov in vitro pa je mogoče nedvomno široko uporabiti v zdravilih. presejanje in raziskovanje mehanizma bolezni.

To bo ljudem prineslo preskok v natančni medicini in personalizirani medicini. Navsezadnje obstajajo posebnosti in razlike v telesni strukturi in patoloških stanjih vsakega posameznika, zlasti pri bolnikih s kompleksnimi in redkimi stanji. Glede na visoko tveganje operacije lahko zdravniki s pomočjo tehnologije 3D tiskanja natisnejo pacientove patološke dele v razmerju 1:1, da lahko izvedejo predoperativno načrtovanje in natančne vaje za kompleksne, redke in težke primere.

To ne more le zagotoviti zdravnikom natančnih tridimenzionalnih strukturnih podatkov za načrtovanje kirurških načrtov, temveč tudi predogled celotnega kirurškega procesa in izboljšanje kirurškega načrtovanja pod predpostavko bolj intuitivnega in realističnega, da se izboljša natančnost resnične operacije in zmanjša kirurško tveganje. Poleg tega lahko za različne paciente 3D-tiskanje prilagojenih kirurških vodil učinkovito zmanjša travmo in krvavitev med operacijo, močno skrajša čas operacije in izboljša natančnost operacije.

Zato lahko v primerjavi s tradicionalno medicinsko tehnologijo na podlagi spoštovanja in obvladovanja individualnih razlik tehnologija 3D-tiskanja realizira resnično personalizirano prilagoditev in naredi medicinsko zdravljenje natančnejše.

Prihodnost je vse bolj jasna

Leta 2003 je Thomas Boland z Univerze Clemson uspešno realiziral tiskanje živih celic z uporabo modificiranega tiskalnika HP (h550c) in kartuše s črnilom (hp51626a), pufra PBS, ki vsebuje celice jajčnikov kitajskega hrčka (CHO) in celice motoričnega nevrona mišjega zarodka kot "bio črnilo", in sojin agar / kolagenski gel kot "bio papir" in objavil svoj prvi članek o biotisku celic, o čemer so poročali mediji, vključno z American Science Journal in CNN. Leta 2004 je raziskovalna skupina zaprosila za prvi patent za tiskanje celic in organov in leta 2006 pridobila patentno pooblastilo. Kasneje je bila tehnologija pooblaščena za Organovo, znano podjetje za biološko 3D-tiskanje, ki kotira na NASDAQ.

Od takrat so 3D natisnjeni organi tudi uradno vstopili v razvojno pot in prinesli veliko upov regenerativni medicini. Decembra 2010 je Organovo izdelal prvo biotiskano človeško krvno žilo z uporabo novogena MMX. Od takrat je podjetje natisnilo tudi majhne vzorce skeletnih mišic, kostnega in jetrnega tkiva, uspešno implantiralo živce v hrbtenico in določilo dolgoročni načrt za proizvodnjo človeških presajenih tkiv. Sprva se je to tiskanje na zahtevo osredotočalo predvsem na popravilo miokarda, presaditev živcev ali arterijskih segmentov, saj so ta tkiva razmeroma majhna in jih je lažje tiskati, večja pa je tudi možnost klinične uporabe.

Škotski znanstveniki so leta 2012 s pomočjo človeških celic prvič s 3D tiskalnikom natisnili umetno jetrno tkivo. Istega leta je javni medicinski center Univerze v Michiganu ustvaril umetni sapnik s tehnologijo 3D-tiskanja in izvedel prvo 3D-natisnjeno operacijo presaditve človeškega organa na svetu. To je prvič, da ljudje uporabljajo 3D natisnjene dele za pomoč pri organizaciji in reorganizaciji. Objavljeno je bilo v New England Journal of medicine maja 2013.

V drugem popolnoma drugačnem razvoju decembra 2012 je Organovo objavilo, da je sodelovalo z Autodeskom pri izdelavi prve programske opreme za 3D načrtovanje za biološko tiskanje. Novigen MMX odpre več uporabnikom in s tem izboljša razpoložljivost in funkcionalnost biotiskanja.

Kot je dejal Keith Murphy, predsednik in izvršni direktor Organova, je dolgoročni cilj novega partnerstva podjetja z Autodeskom "prizadevati si strankam omogočiti, da same oblikujejo 3D organizacije, nato pa prepustiti Organovu odgovornost za proizvodnjo". Tako kot lahko kiparji zdaj naložijo nov nakit proizvajalcem nakita, lahko 3D natisnejo plastične ali kovinske predmete. V prihodnosti lahko zdravniki organovu pošljejo tudi elektronske modele presajenih arterij ali celih organov v biotiskanje, nato pa Organovo iztisne končne izdelke nazaj. Leta 2012 je MIT Technology Review Organovo uvrstil med 50 najbolj inovativnih podjetij na svetu, leta 2010 pa je revija Time uvrstila novigen MMX med najboljše izume leta.

Leta 2013 je FDA odobrila prvi personaliziran izdelek za 3D tiskanje peek skull implant (ameriško podjetje OPM). Februarja istega leta so raziskovalci z univerze Cornell v ZDA objavili poročilo, da so z govejimi ušesnimi celicami na 3D-tiskalniku natisnili umetna ušesa, ki se lahko uporabljajo za presaditev organov otrokom s prirojenimi malformacijami.

Novembra 2014 je Organovo lansiral svoje komercialno dostopno 3D natisnjeno človeško jetrno tkivo exvive3dtm za predklinično testiranje zdravil.

Aprila 2015 je Organovo na konferenci o eksperimentalni biologiji v Bostonu objavilo prve 3D biotiskane podatke celičnega ledvičnega tkiva na svetu. Trenutno ledvično tkivo lahko preživi le nekaj dni v normalnih laboratorijskih pogojih, medtem ko Organovo 3D natisnjeno ledvično tkivo lahko zdrži "vsaj dva tedna".

Na Kitajskem je profesor Yan Yongnian z univerze Tsinghua okoli leta 2002 vodil ekipo za izvedbo raziskav o tehnologiji biološkega 3D-tiskanja. Leta 2004 je vodil ekipo pri dokončanju sistema neposrednega pisanja celic in tiskanja celic ter vzpostavil mednarodno napreden inženiring biološke proizvodnje laboratorij, znan kot "prva oseba v 3D tiskanju na Kitajskem".

Avgusta 2013 je podjetje Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (na kratko regenovo) sodelovalo z znanstveniki z Univerze za elektronsko znanost in tehnologijo Hangzhou ter drugimi univerzami, da bi uspešno razvilo 3D-tiskalnik, ki lahko hkrati tiska biološke materiale in žive celice. Oktobra 2015 je genefit lansiral tretjo generacijo delovne postaje za biološko 3D tiskanje, ki je uspešno "natisnila" jetrne enote v serijah za presejanje zdravil.

Dandanes je z napredkom in zrelostjo tehnologije 3D biotiskanja prihodnost 3D biotiskanja vse bolj svetla.

Pred 3D tiskanjem organov

Vendar svetla prihodnost ne pomeni, da je proces gladek. Navsezadnje je biološko 3D tiskanje interdisciplinarna industrija medicine, znanosti o življenju, znanosti o materialih, informacijske tehnologije, tkivnega inženirstva, proizvodnje, kliničnih preskušanj itd. Trije najpomembnejši pogoji za tiskanje živega organa so celice, ogrodje in indukcija.

Tehnologija neposrednega sestavljanja celic se nanaša na neposredno sestavljanje celic ali celičnih matričnih materialov v želene strukture v skladu s 3D podatkovnimi modeli in končno oblikovanje živega tkiva ali organa s kasnejšo kulturo.

Tehnologija posrednega sestavljanja celic se nanaša na gradnjo ogrodja celične kulture z biomateriali, nato pritrjevanje celic na ustrezne položaje ogrodja v skladu z zahtevanimi strukturami prek 3D modelov in nato spodbujanje celic, da preživijo, da bi jih gojili v živa tkiva in organe.

Vedeti pa moramo, da je sama zgradba organa zelo kompleksna in da je v organu več kot ena celica. Kako doseči kompleksno razporeditev več celic in ohraniti njihovo rast, je še vedno težaven problem, s katerim se sooča tiskanje organov. Vzemimo za primer krvne žile. Krvne žile so po strukturi videti preproste, v resnici pa ima žilna stena poleg tega, da ima več plasti različnih struktur celičnega tkiva (tipične krvne žile so v glavnem sestavljene iz endotelija, gladkih mišic in fibroblastov), ​​tudi funkcijo selektivne prepustnosti, elastičnost žilne stene in antikoagulacija, zaradi česar je zelo težko izdelati aktivne krvne žile in vitro, ki bi nadomestile obolele krvne žile in vivo.

Poleg tega so težave tudi, kako zagotoviti, da je material ogrodja nestrupen in primeren za človeško telo, da lahko celice normalno rastejo, in kako inducirati rast celic, aktivirati natisnjeni organ in popolnoma nadomestiti originalni organ. rešiti.

Končno bo uporaba takih organov prinesla tudi vrsto premislekov o človeški naravi in ​​morali. Tolerantno javnomnenjsko okolje, ki omogoča uporabo sorodnih tehnologij, je še v izgradnji. Ta dvom o Tiskanju organov se je v celoti odrazil v kratkem znanstvenofantastičnem romanu Nidija Okolaferja "center dogodkov".

V romanu se je novica, da so nigerijskemu predsedniku Fengmiju presadili srce, razširila kot požar in povzročila nacionalno negodovanje. Za razliko od dosedanjih domnev znanstvenikov umetno srce, ki so ga za predsednika pripravili v prireditvenem centru, ni več pridobljeno iz živali, ampak temelji na rastlinskem tkivu z uporabo avtolognih matičnih celic in tehnologije 3D tiskanja.

Čeprav je ta tehnologija v romanu dozorela, je v romanu Yiqi, glavni kirurg iz ZDA, še vedno zaskrbljen nad učinkovitostjo operacije. Če so izzijevi dvomi povezani predvsem z uspehom ali neuspehom same tehnologije, se je državni udar, ki sta ga izvedla predsednikov nečak Sibbi in nekdanji general Ochchuku, dotaknil še enega problema, ki ga prinaša tehnologija: ali bo po presaditvi srca prišlo do velike spremembe v temperamentu , ali celo možnost nadzora? Ta špekulacija ni neizzvana domneva. V resničnem svetu ima veliko bolnikov s presajenimi jetri v določenem časovnem obdobju osebnostne spremembe, vzrok pa so lahko endokrine regulativne spremembe, ki jih povzročajo reakcije zavrnitve.

Ključ do te skrbi je: kaj so ljudje? Ali naj se zanašamo na celoten sklop originalnih organov ali telo in um, ki lahko razmišljata in delujeta neodvisno? Čeprav je razvoj tehnologije komajda odvisen od volje človeštva, je vseeno treba biti previden glede dvojne narave tehnologije. Zavedati se je treba, da je vrsta vprašanj o tem, ali je tehnologija dobra ali slaba, pogosto neizogibna pot v procesu popularizacije tehnologije, torej »v preteklosti je bilo muhasto, zdaj je težko, v prihodnosti pa običajno je«. Konec koncev, ko je tehnologija ustvarjena, je tisto, kar nas najbolj zanima, kako jo najbolje uporabiti.

3D-tiskani organi so nam morda obljubljali lepo prihodnost, a preden pride prihodnost, moramo še vedno pravilno razumeti to tehnologijo in je ne obdariti s tehnično etiko in pravili uporabe – pravzaprav biološko 3D-tiskanje še zdaleč ne dosega prvotna zamisel o tiskanju organov in in vitro tiskanju živih organov, ki se lahko uporabljajo za presaditev, je še dolga pot.

pomembna klavzula