No 3D drukāšanas līdz 3D orgānu drukāšanai — cik tālu cilvēks ir no dzīves drukāšanas?

No 80. gadiem līdz mūsdienām 3D drukāšana ir gājusi garu ceļu. Bioloģiskā 3D druka kā svarīga 3D drukas nozare ir guvusi lielu progresu, kopš tā tika ierosināta aptuveni 2000. gadā.

Protams, arī bioloģiskajai 3D drukāšanai ir daudz līmeņu, tostarp ražošanas struktūras bez bioloģiskās saderības prasībām, piemēram, pašlaik plaši izmantoto produktu 3D drukāšana ķirurģisko ceļu plānošanai, nenoārdāmu produktu ražošana ar bioloģiskās saderības prasībām, piemēram, titāna sakausējuma savienojumi, silikona protēzes defektu labošanai un noārdāmu produktu ražošanai ar bioloģiskās saderības prasībām, piemēram, aktīviem keramikas kauliem un noārdāmiem asinsvadu stentiem, bet vissvarīgākā un visvairāk satraucošā ir orgānu 3D drukāšana, kas manipulē ar dzīvām šūnām, veidojot bioniskus trīsdimensiju audus.

Cilvēka dzīves pagarināšanas vēlmes dēļ var teikt, ka orgānu apdruka ir bijis cilvēces sapnis jau tūkstošiem gadu, un dzīvības drukāšana ir cilvēces galvenā vēlme. Tagad cilvēki cenšas steigties pretī cilvēces galvenajām vēlmēm.

Kāpēc man ir nepieciešama 3D orgānu druka?

Bioloģiskās 3D drukas realizācija ir cieši saistīta ar audu inženieriju un reģeneratīvo medicīnu. Audu reģenerācija ir beigas, bet audu inženierija ir līdzeklis.

Tostarp audu inženierijas jēdzienu ierosināja ķīniešu amerikāņu zinātnieks Fens Juaņdžens, un to noteica ASV Nacionālais zinātnes fonds 1987. gadā. Audu inženierija attiecas uz šūnu nogulsnēšanos uz bioloģiskām pamatnēm, veidojot šūnu materiālu kompleksus, un pēc tam šūnas saturošu pamatņu implantēšana ķermenī, lai, izmantojot in vivo vidi, izraisītu atbilstošu audu vai orgānu veidošanos, lai panāktu brūču labošanu un funkcionālo rekonstrukciju. Tradicionālā audu inženierijas metode ir atdalīt sastatņu izgatavošanu no šūnu adhēzijas, taču ir grūti panākt dažāda veida un blīvuma šūnu nogulsnēšanos dažādās sastatņu pozīcijās. Bioloģiskā 3D drukāšana var realizēt vairāku šūnu telpisku virzienu manipulācijas un dažādu šūnu blīvumu kontrolējamu nogulsnēšanos, kas tikai atrisina pašreizējās grūtības, ar kurām saskaras audu inženierija.

Jau ilgu laiku aktīvo audu vai orgānu ražošana in vitro ir bijusi cilvēku nenogurstošās darbības mērķis. No vienas puses, orgānu transplantācijā ir milzīga plaisa. Līdz šim daudzas medicīniskās problēmas, piemēram, nieru mazspēja un ļaundabīgi audzēji, joprojām tiek ārstētas ar orgānu transplantāciju. Tomēr alogēno orgānu transplantācijā vienmēr ir bijis donoru trūkums. Gan vietējā, gan starptautiskā mērogā nepietiekamas orgānu ziedošanas dēļ saskaņošanas panākumu līmenis nav augsts, un pacienti, kuriem nepieciešama orgānu transplantācija, var tikai gaidīt.

Amerikas Savienotajās Valstīs saskaņā ar Amerikas Savienoto Valstu orgānu resursu koplietošanas tīkla (UNOS) datiem viens pacients mirst ik pēc 1,5 stundām, jo ​​viņš nevar sagaidīt piemērotu orgānu transplantāciju, un vairāk nekā 8 miljoniem pacientu katru gadu ir nepieciešamas ar audu remontu saistītas operācijas. Saskaņā ar statistiku Ķīnā aptuveni 1,5 miljoniem cilvēku katru gadu ir nepieciešama orgānu transplantācija pēdējās stadijas orgānu mazspējas dēļ, bet tikai aptuveni 10 000 cilvēku katru gadu var saņemt orgānu transplantācijas ārstēšanu, un ierobežotais dzīvo orgānu avots nevar apmierināt pacientiem.

Ņemot par piemēru nieru transplantāciju, katru gadu tiek pārstādīti 3000 pacientu, un pieprasījums ir pat 300 000. Lielākā daļa pacientu var tikai pasliktināties vai pat nomirt, gaidot ligandus. Vienlaikus Ķīnā joprojām katru gadu par vairāk nekā 10 procentiem palielinās to pacientu skaits, kuriem nepieciešama orgānu transplantācija. Turklāt pēc orgānu transplantācijas ir imūnās atgrūšanas reakcijas, kurām nepieciešama ilgstoša imūnsupresīva ārstēšana.

Ņemot to vērā, steidzami nepieciešama efektīva metode donoru orgānu trūkuma un atgrūšanas reakcijas risināšanai orgānu transplantācijā. Bioloģiskās 3D drukas tehnoloģijas parādīšanās un straujā attīstība nodrošina pilnīgi jaunu risinājumu audu vai orgānu trūkuma problēmai – bioloģiskā 3D drukāšana var tieši drukāt dzīvos orgānus vai audus in vitro vai in vivo, izmantojot dzīvas šūnas, kas iegūtas no viņu pašu pieaugušo cilmes šūnām. inducēti un diferencēti in vitro kā izejvielas, tādējādi aizstājot orgānus vai audus ar zaudētām funkcijām.

Šobrīd bioloģiskā 3D druka ir guvusi zināmus sasniegumus orgānu transplantācijas jomā, un tā ir pielietota ādas, kaulu, mākslīgo asinsvadu, asinsvadu šinu, sirds audu un skrimšļa struktūru reģenerācijā un rekonstrukcijā.

No otras puses, pašreizējiem medicīnas mehānismu pētījumiem ir nepieciešami precīzāki in vitro modeļi. Tradicionālie risinājumi bieži vien ir balstīti uz divdimensiju šūnu kultūru un eksperimentiem ar dzīvniekiem. Tomēr metode, kuras pamatā ir divdimensiju šūnu kultūra, ļoti atšķiras no trīsdimensiju vides reālajā ķermenī, un dažos gadījumos var būt pretrunīgi rezultāti, kas padara atsauces vērtību ierobežotu. Papildus daudzām ētiskām problēmām eksperimentos ar dzīvniekiem vissvarīgākais ir tas, ka pastāv liela atšķirība starp dzīvnieku iekšējo vidi un cilvēka vidi.

Citiem vārdiem sakot, ja cilvēka šūnas var izmantot, lai rekonstruētu audu vai orgānu trīsdimensiju vidi in vitro, esošo šķīdumu defektus var labi kompensēt, un audu vai orgānu konstruēšana in vitro neapšaubāmi var tikt plaši izmantota medicīnā. skrīnings un slimību mehānismu izpēte.

Tas, ko tas nesīs cilvēkiem, ir lēciens uz priekšu precīzās medicīnas un personalizētās medicīnas jomā. Galu galā katras personas fiziskajā struktūrā un patoloģiskajos stāvokļos ir īpatnības un atšķirības, īpaši pacientiem ar sarežģītām un retām slimībām. Ņemot vērā lielo operācijas risku, ārsti ar 3D drukas tehnoloģijas palīdzību var izdrukāt pacienta patoloģiskās daļas proporcijā 1:1, lai veiktu pirmsoperācijas plānošanu un precīzus urbumus sarežģītos, retos un sarežģītos gadījumos.

Tas var ne tikai nodrošināt ārstiem precīzus trīsdimensiju strukturālos datus ķirurģisko plānu izstrādei, bet arī priekšskatīt visu ķirurģisko procesu un uzlabot ķirurģisko plānošanu, pamatojoties uz intuitīvāku un reālistiskāku priekšnoteikumu, lai uzlabotu reālās operācijas precizitāti un samazinātu. ķirurģiskais risks. Turklāt dažādiem pacientiem 3D drukāšanas personalizētie ķirurģiskie ceļveži var efektīvi samazināt operācijas traumas un asiņošanu, ievērojami saīsināt operācijas laiku un uzlabot operācijas precizitāti.

Tāpēc, salīdzinot ar tradicionālajām medicīnas tehnoloģijām, pamatojoties uz individuālo atšķirību ievērošanu un apgūšanu, 3D drukas tehnoloģija var realizēt reālu personalizētu pielāgošanu un padarīt ārstniecību precīzāku.

Nākotne kļūst arvien skaidrāka

2003. gadā Tomass Bolands no Klemsonas universitātes veiksmīgi realizēja dzīvo šūnu drukāšanu, izmantojot modificētu HP printeri (h550c) un tintes kasetni (hp51626a), PBS buferšķīdumu, kas satur Ķīnas kāmja olnīcu šūnas (CHO) un peles embrija motoro neironu šūnas kā "bio tinti". un sojas pupu agaru/kolagēna želeju kā "biopapīru" un publicēja savu pirmo rakstu par šūnu biodrukāšanu, par ko ziņoja plašsaziņas līdzekļi, tostarp American Science Journal un CNN. 2004. gadā pētniecības grupa iesniedza pieteikumu pirmajam šūnu un orgānu drukāšanas patentam un patenta atļauju ieguva 2006. gadā. Vēlāk tehnoloģija tika pilnvarota Organovo, slavenajam bioloģiskās 3D drukas uzņēmumam, kas iekļauts NASDAQ.

Kopš tā laika 3D drukātie orgāni arī oficiāli ir nonākuši attīstības joslā un radījuši daudz cerību reģeneratīvajā medicīnā. 2010. gada decembrī Organovo izgatavoja pirmo cilvēka bioprintēto asinsvadu, izmantojot novogen MMX. Kopš tā laika uzņēmums izdrukājis arī nelielus skeleta muskuļu, kaulu un aknu audu paraugus, veiksmīgi implantējis nervus mugurkaulā un noteicis ilgtermiņa plānu cilvēka transplantēto audu ražošanai. Sākumā šī drukāšana pēc pieprasījuma galvenokārt bija vērsta uz miokarda remontu, nervu transplantāciju vai artēriju segmentiem, jo ​​šie audi ir salīdzinoši mazi un vieglāk izdrukājami, un arī klīniskās pielietošanas iespēja ir lielāka.

2012. gadā skotu zinātnieki pirmo reizi izmantoja cilvēka šūnas, lai ar 3D printeri izdrukātu mākslīgos aknu audus. Tajā pašā gadā Mičiganas Universitātes publiskais medicīnas centrs, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju, izveidoja mākslīgu traheju un veica pasaulē pirmo 3D drukāto orgānu cilvēka transplantācijas operāciju. Šī ir pirmā reize, kad cilvēki izmanto 3D drukātās daļas, lai palīdzētu organizēt un reorganizēt. Tas tika publicēts New England Journal of Medicine 2013. gada maijā.

Citā pilnīgi citā izstrādē 2012. gada decembrī Organovo paziņoja, ka ir sadarbojies ar Autodesk, lai izveidotu pirmo 3D dizaina programmatūru biodrukāšanai. Tas atver novogen MMX lielākam skaitam lietotāju, tādējādi uzlabojot biodrukas pieejamību un funkcionalitāti.

Kā teica Organovo priekšsēdētājs un izpilddirektors Kīts Mērfijs, uzņēmuma jaunās partnerības ar Autodesk ilgtermiņa mērķis ir "censties ļaut klientiem pašiem izstrādāt 3D organizācijas un pēc tam ļaut Organovo būt atbildīgam par ražošanu". Tāpat kā tēlnieki tagad var augšupielādēt jaunas rotaslietas juvelierizstrādājumu ražotājiem, viņi var 3D izdrukāt plastmasas vai metāla priekšmetus. Nākotnē ārsti artēriju transplantātu vai veselu orgānu elektroniskos modeļus var nosūtīt arī Organovo biodrukāšanai, un tad Organovo gatavos produktus izpaudīs atpakaļ. 2012. gadā MIT Technology Review iekļāva Organovo kā vienu no 50 inovatīvākajiem uzņēmumiem pasaulē, bet 2010. gadā žurnāls Time ierindoja novogen MMX kā vienu no gada labākajiem izgudrojumiem.

2013. gadā FDA apstiprināja pasaulē pirmo personalizēto 3D drukas produkta peek skull implantu (Amerikas OPM uzņēmums). Tā paša gada februārī pētnieki no Kornela universitātes ASV publicēja ziņojumu, ka viņi izmantoja liellopu ausu šūnas, lai drukātu mākslīgās ausis 3D printerī, ko var izmantot orgānu transplantācijai bērniem ar iedzimtām malformācijām.

2014. gada novembrī Organovo laida klajā savu komerciāli pieejamo 3D drukāto cilvēka aknu audu exvive3dtm preklīniskai zāļu testēšanai.

2015. gada aprīlī Organovo paziņoja par pasaulē pirmajiem 3D bioprintētiem veselu šūnu nieru audu datiem Eksperimentālās bioloģijas konferencē Bostonā. Pašreizējie nieru audi normālos laboratorijas apstākļos var izdzīvot tikai dažas dienas, savukārt Organovo 3D drukātie nieru audi var ilgt "vismaz divas nedēļas".

Ķīnā profesors Yan Yongnian no Tsinghua universitātes vadīja komandu, lai veiktu pētījumus par bioloģisko 3D drukāšanas tehnoloģiju aptuveni 2002. gadā. 2004. gadā viņš vadīja komandu, lai pabeigtu šūnu tiešās rakstīšanas sistēmu un šūnu drukāšanu, un izveidoja starptautiski progresīvu bioloģiskās ražošanas inženieriju. laboratorija, kas pazīstama kā "pirmā persona 3D drukāšanā Ķīnā".

2013. gada augustā Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (saīsināti regenovo) sadarbojās ar zinātniekiem no Hangdžou Elektronikas zinātnes un tehnoloģiju universitātes un citām universitātēm, lai veiksmīgi izstrādātu 3D printeri, kas vienlaikus spēj drukāt bioloģiskos materiālus un dzīvās šūnas. 2015. gada oktobrī genefit laida klajā trešās paaudzes bioloģiskās 3D drukas darbstaciju, kas veiksmīgi "izdrukāja" aknu vienības partijās zāļu skrīningam.

Mūsdienās, līdz ar 3D biodrukas tehnoloģijas progresu un briedumu, 3D biodrukas nākotne kļūst arvien gaišāka.

Pirms 3D drukas orgāniem

Tomēr gaiša nākotne nenozīmē, ka process norit raiti. Galu galā bioloģiskā 3D druka ir starpdisciplināra medicīnas, dzīvības zinātņu, materiālu zinātnes, informācijas tehnoloģiju, audu inženierijas, ražošanas, klīnisko pētījumu un tā tālāk nozare. Trīs svarīgākie nosacījumi dzīva orgāna drukāšanai ir šūnas, sastatnes un indukcija.

Tiešā šūnu montāžas tehnoloģija attiecas uz šūnu vai šūnu matricas materiālu tiešu salikšanu vēlamajās struktūrās saskaņā ar 3D datu modeļiem un, visbeidzot, dzīvu audu vai orgānu veidošanu, izmantojot turpmāko kultūru.

Netiešā šūnu montāžas tehnoloģija attiecas uz šūnu kultūras sastatņu izveidošanu ar biomateriāliem, pēc tam šūnu pievienošanu atbilstošajām sastatņu pozīcijām atbilstoši nepieciešamajām struktūrām, izmantojot 3D modeļus, un pēc tam šūnu izdzīvošanu, lai tās kultivētos dzīvos audos un orgānos.

Tomēr mums jāzina, ka paša orgāna struktūra ir ļoti sarežģīta, un orgānā ir vairāk nekā viena šūna. Kā panākt sarežģītu vairāku šūnu izkārtojumu un saglabāt to augšanu, joprojām ir sarežģīta problēma, ar kuru saskaras orgānu drukāšana. Kā piemēru ņemiet asinsvadus. Asinsvadi pēc struktūras izskatās vienkārši, bet patiesībā papildus tam, ka tiem ir vairāki dažādu šūnu audu struktūru slāņi (tipiski asinsvadi galvenokārt sastāv no endotēlija, gludās muskulatūras un fibroblastiem), asinsvadu sieniņai ir arī selektīvās caurlaidības funkcijas, asinsvadu sieniņu elastība un antikoagulācija, kas ļoti apgrūtina aktīvo asinsvadu ražošanu in vitro, lai aizstātu slimos asinsvadus in vivo.

Turklāt problēmas rada arī tas, kā nodrošināt, lai sastatņu materiāls būtu netoksisks un piemērots cilvēka ķermenim, lai šūnas varētu normāli augt, un kā izraisīt šūnu augšanu, aktivizēt drukāto orgānu un pilnībā aizstāt oriģinālo orgānu. jāatrisina.

Visbeidzot, šādu orgānu izmantošana radīs arī virkni apsvērumu par cilvēka dabu un morāli. Toleranta sabiedriskās domas vide, kas ļauj pielietot radniecīgas tehnoloģijas, joprojām tiek veidota. Šīs šaubas par orgānu drukāšanu ir pilnībā atspoguļotas īsajā zinātniskās fantastikas romānā "Notikumu centrs", ko veidojis nidi okolafers.

Romānā ziņas par to, ka Nigērijas prezidentam Fengmi pārstādīja sirdi, izplatījās kā meža ugunsgrēks, izraisot valsts mēroga sašutumu. Atšķirībā no līdzšinējiem zinātnieku pieņēmumiem, pasākumu centra prezidentam sagatavotā mākslīgā sirds vairs nav iegūta no dzīvniekiem, bet gan balstīta uz augu audiem, izmantojot autologās cilmes šūnas un 3D drukas tehnoloģiju.

Lai gan šī tehnoloģija ir nobriedusi romānā, romānā Yiqi, galvenais ķirurgs no Amerikas Savienotajām Valstīm, joprojām ir noraizējies par operācijas efektivitāti. Ja izzi šaubas galvenokārt saistītas ar pašas tehnoloģijas veiksmi vai neveiksmi, tad prezidenta brāļadēla sibbi un bijušā ģenerāļa oččuku uzsāktais apvērsums ir pieskāries vēl vienai tehnoloģiju radītai problēmai: vai pēc sirds transplantācijas notiks būtiskas izmaiņas temperamentā. , vai pat iespēja tikt kontrolētam? Šī spekulācija nav neprovocēts minējums. Reālajā pasaulē daudziem pacientiem ar aknu transplantāciju noteiktā laika periodā ir izmaiņas personībā, un iemesls var būt endokrīnās regulēšanas izmaiņas, ko izraisa atgrūšanas reakcijas.

Šīs bažas galvenais ir: kas ir cilvēki? Vai mums vajadzētu paļauties uz oriģinālo orgānu komplektu vai ķermeni un prātu, kas spēj domāt un rīkoties neatkarīgi? Lai gan tehnoloģiju attīstība gandrīz nav atkarīga no cilvēces gribas, tomēr ir jābūt piesardzīgiem attiecībā uz tehnoloģiju duālo būtību. Jāatzīst, ka virkne jautājumu par to, vai tehnoloģija ir laba vai slikta, bieži vien ir neizbēgams ceļš tehnoloģiju popularizēšanas procesā, proti, "agrāk tas bija dīvaini, tagad tas ir grūti un nākotnē tas ir ierasts". Galu galā, kad tehnoloģija ir izveidota, mums visvairāk jārūpējas par to, kā to vislabāk izmantot.

Iespējams, ka 3D drukātie orgāni mums ir solījuši skaistu nākotni, taču, pirms nāk nākotne, mums vēl ir pareizi jāsaprot šī tehnoloģija un neapveltīt to ar tehnisko ētiku un lietošanas noteikumiem - patiesībā bioloģiskā 3D druka ir tālu no oriģinālajai idejai par orgānu drukāšanu un dzīvu orgānu drukāšanai in vitro, ko var izmantot transplantācijai, vēl tāls ceļš ejams.

svarīga klauzula