Od 3D tisku k 3D tisku varhan, jak daleko je život člověka od tisku?

Od 80. let do dneška ušel 3D tisk dlouhou cestu. Biologický 3D tisk, jako důležité odvětví 3D tisku, zaznamenal od svého návrhu kolem roku 2000 velký pokrok.

Biologický 3D tisk má samozřejmě také mnoho úrovní, včetně výrobních struktur bez požadavků na biokompatibilitu, jako je 3D tisk produktů pro plánování chirurgických cest, které jsou v současnosti široce používány, výroba nerozložitelných produktů s požadavky na biokompatibilitu, jako jsou spoje ze slitiny titanu, silikonové protézy pro opravu defektů a výrobu degradovatelných produktů s požadavky na biokompatibilitu, jako je aktivní keramická kost a rozložitelné cévní stenty, ale nejdůležitější a nejvíce znepokojený je 3D tisk orgánů, které manipulují s živými buňkami za účelem vytvoření bionických trojrozměrných tkání.

Kvůli lidské touze po prodloužení života lze říci, že tisk orgánů je snem lidstva po tisíce let a tiskařský život je konečným přáním lidstva. Nyní se lidé snaží spěchat za konečným přáním lidstva.

Proč potřebuji 3D tisk orgánů?

Realizace biologického 3D tisku úzce souvisí s tkáňovým inženýrstvím a regenerativní medicínou. Regenerace tkání je cílem, zatímco tkáňové inženýrství je prostředkem.

Mezi nimi koncept tkáňového inženýrství navrhl Feng Yuanzhen, čínský americký vědec, a byl určen Národní vědeckou nadací Spojených států v roce 1987. Tkáňové inženýrství se týká ukládání buněk na biologické lešení za účelem vytvoření komplexů buněčného materiálu a potom implantace skeletů obsahujících buňky do těla pro indukci tvorby odpovídajících tkání nebo orgánů pomocí prostředí in vivo, aby se dosáhlo hojení ran a funkční rekonstrukce. Konvenční metodou tkáňového inženýrství je oddělení výroby skafoldů od buněčné adheze, ale je obtížné dosáhnout ukládání různých typů a hustot buněk na různých pozicích skafoldů. Biologický 3D tisk může realizovat vícebuněčnou prostorovou směrovou manipulaci a kontrolovatelnou depozici různých hustot buněk, což právě řeší současné potíže, kterým čelí tkáňové inženýrství.

Výroba aktivních tkání nebo orgánů in vitro byla po dlouhou dobu cílem neúnavného úsilí lidí. Na jedné straně existuje obrovská mezera v transplantacích orgánů. Dosud se mnoho zdravotních problémů, jako je selhání ledvin a zhoubné nádory, stále léčí transplantací orgánů. Při alogenních transplantacích orgánů byl však vždy nedostatek dárců. Na domácí i mezinárodní úrovni není úspěšnost shody vzhledem k nedostatečnému dárcovství orgánů vysoká a pacienti, kteří potřebují transplantaci orgánů, mohou jen čekat.

Ve Spojených státech podle organizace United States organ Resource Sharing Network (UNOS) zemře jeden pacient každých 1,5 hodiny, protože nemůže čekat na vhodnou transplantaci orgánu, a více než 8 milionů pacientů potřebuje každý rok operace související s opravou tkáně. V Číně podle statistik potřebuje každý rok asi 1,5 milionu lidí transplantaci orgánů kvůli selhání orgánů v konečné fázi, ale pouze asi 10 000 lidí může ročně podstoupit transplantaci orgánů a omezený zdroj živých orgánů nemůže uspokojit potřeby pacientů.

Vezmeme-li jako příklad transplantaci ledvin, každý rok je transplantováno 3 000 pacientů a poptávka dosahuje až 300 000. Většina pacientů se může zhoršit nebo dokonce zemřít při čekání na ligandy. Počet pacientů, kteří potřebují transplantaci orgánů, přitom v Číně stále roste o více než 10 procent ročně. Po transplantaci orgánu navíc dochází k imunitním rejekcím reakcím, které vyžadují dlouhodobou imunosupresivní léčbu.

Vzhledem k tomu je naléhavě zapotřebí účinná metoda k vyřešení nedostatku dárcovských orgánů a rejekce při transplantaci orgánů. Vznik a rychlý vývoj technologie biologického 3D tisku poskytuje zcela nové řešení problému nedostatku tkání nebo orgánů – Biologický 3D tisk může přímo tisknout živé orgány nebo tkáně in vitro nebo in vivo pomocí živých buněk získaných z jejich vlastních dospělých kmenových buněk. indukované a diferencované in vitro jako suroviny, čímž nahrazují orgány nebo tkáně se ztracenými funkcemi.

V současné době dosáhl biologický 3D tisk určitých úspěchů v oblasti transplantací orgánů a byl aplikován na regeneraci a rekonstrukci kůže, kostí, umělých krevních cév, cévních dlah, srdečních tkání a struktur chrupavek.

Na druhou stranu současný výzkum medicínských mechanismů potřebuje přesnější modely in vitro. Tradiční řešení jsou často založena na dvourozměrných buněčných kulturách a pokusech na zvířatech. Metoda založená na dvourozměrné buněčné kultuře se však velmi liší od trojrozměrného prostředí ve skutečném těle a v některých případech mohou být výsledky protichůdné, což omezuje referenční hodnotu. Kromě mnoha etických problémů při pokusech na zvířatech je nejzásadnější, že je velký rozdíl mezi vnitřním prostředím zvířat a prostředím člověka.

Jinými slovy, pokud lze lidské buňky použít k rekonstrukci trojrozměrného prostředí tkání nebo orgánů in vitro, mohou být defekty existujících roztoků dobře kompenzovány a konstrukce tkání nebo orgánů in vitro může být nepochybně široce používána v léčivech. screening a zkoumání mechanismu onemocnění.

To, co to lidem přinese, je skok vpřed v oblasti přesné medicíny a personalizované medicíny. Koneckonců existují zvláštnosti a rozdíly ve fyzické struktuře a patologických stavech každého člověka, zejména u pacientů se složitými a vzácnými stavy. Vzhledem k vysokému riziku operace mohou lékaři pomocí technologie 3D tisku vytisknout pacientovy patologické partie v poměru 1:1 a provést tak předoperační plánování a přesné vrtání u složitých, vzácných a obtížných případů.

To může lékařům nejen poskytnout přesná trojrozměrná strukturální data pro navrhování chirurgických plánů, ale také zobrazit náhled celého chirurgického procesu a zlepšit chirurgické plánování za předpokladu intuitivnějšího a realističtějšího, aby se zlepšila přesnost skutečné operace a snížila chirurgické riziko. Navíc pro různé pacienty mohou personalizované chirurgické návody pomocí 3D tisku účinně snížit trauma a krvácení při operaci, výrazně zkrátit dobu operace a zlepšit přesnost operace.

Proto ve srovnání s tradiční lékařskou technologií, na základě respektování a zvládnutí individuálních rozdílů, může technologie 3D tisku realizovat skutečné personalizované přizpůsobení a zpřesnit lékařské ošetření.

Budoucnost je stále jasnější

V roce 2003 Thomas Boland z Clemson University úspěšně realizoval tisk živých buněk pomocí upravené tiskárny HP (h550c) a inkoustové kazety (hp51626a), pufru PBS obsahujícího buňky vaječníků čínského křečka (CHO) a myší embryonální motorické neuronové buňky jako „bio inkoust“. a sojový agar / kolagenový gel jako "bio papír" a publikoval svůj první článek o buněčném bio tisku, o kterém informovala média včetně American Science Journal a CNN. V roce 2004 výzkumná skupina požádala o první patent na tisk buněk a orgánů a autorizaci patentu získala v roce 2006. Později byla technologie autorizována společnosti Organovo, slavné společnosti zabývající se biologickým 3D tiskem kótované na NASDAQ.

Od té doby také 3D tištěné orgány oficiálně vstoupily do vývojové dráhy a přinesly mnoho nadějí do regenerativní medicíny. V prosinci 2010 společnost Organovo vyrobila první biotištěnou lidskou krevní cévu pomocí novogenu MMX. Od té doby společnost také vytiskla malé vzorky kosterního svalstva, kostní a jaterní tkáně, úspěšně implantovala nervy do páteře a stanovila dlouhodobý plán výroby lidských transplantovaných tkání. Tento on-demand tisk se zprvu zaměřoval hlavně na opravy myokardu, transplantace nervů nebo arteriálních segmentů, protože tyto tkáně jsou relativně malé a snadněji se tisknou a také je větší možnost klinické aplikace.

V roce 2012 skotští vědci poprvé použili lidské buňky k tisku umělé jaterní tkáně pomocí 3D tiskárny. Ve stejném roce vytvořilo veřejné lékařské centrum Michiganské univerzity umělou průdušnici pomocí technologie 3D tisku a provedlo první 3D vytištěnou operaci lidské transplantace orgánů na světě. Je to poprvé, co lidé používají 3D tištěné díly k tomu, aby pomohli organizovat a reorganizovat. To bylo publikováno v New England Journal of Medicine v květnu 2013.

V dalším zcela odlišném vývoji v prosinci 2012 Organovo oznámilo, že spolupracovalo s Autodeskem na výrobě prvního 3D návrhového softwaru pro biotisk. Otevírá novogen MMX více uživatelům, čímž zlepšuje dostupnost a funkčnost biotisku.

Jak řekl Keith Murphy, předseda představenstva a generální ředitel společnosti Organovo, dlouhodobým cílem nového partnerství společnosti s Autodeskem je „usilovat o to, aby zákazníci mohli sami navrhovat 3D organizace, a poté přenechat Organovo odpovědnost za výrobu“. Stejně jako nyní mohou sochaři nahrát nový šperk výrobcům šperků, mohou 3D tisknout plastové nebo kovové předměty. V budoucnu mohou lékaři také posílat elektronické modely transplantací tepen nebo celých orgánů společnosti Organovo k biotisku a poté bude společnost Organovo exprimovat hotové výrobky zpět. V roce 2012 zařadil MIT Technology Review Organovo mezi 50 nejinovativnějších společností na světě a v roce 2010 časopis Time zařadil novogen MMX jako jeden z nejlepších vynálezů roku.

V roce 2013 byl FDA schválen první personalizovaný 3D tiskový implantát lebky na světě (americká společnost OPM). V únoru téhož roku zveřejnili vědci z Cornell University ve Spojených státech zprávu, že pomocí bovinních ušních buněk vytiskli umělá uši na 3D tiskárně, kterou lze použít k transplantaci orgánů u dětí s vrozenými vývojovými vadami.

V listopadu 2014 společnost Organovo uvedla na trh svou komerčně dostupnou 3D tištěnou lidskou jaterní tkáň exvive3dtm pro preklinické testování léků.

V dubnu 2015 oznámila společnost Organovo na konferenci Experimental Biology v Bostonu první 3D biotištěná data celobuněčné ledvinové tkáně na světě. Současná ledvinová tkáň může za normálních laboratorních podmínek přežít jen několik dní, zatímco 3D vytištěná ledvinová tkáň společnosti Organovo může vydržet „nejméně dva týdny“.

Profesor Yan Yongnian z Tsinghua University v Číně vedl tým k provádění výzkumu biologické technologie 3D tisku kolem roku 2002. V roce 2004 vedl tým k dokončení systému přímého psaní buněk a buněčného tisku a založil mezinárodně pokročilé biologické výrobní inženýrství laboratoř, známá jako „první člověk v 3D tisku v Číně“.

V srpnu 2013 společnost Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (zkráceně regenovo) spolupracovala s vědci z Hangzhou University of Electronic Science and Technology a dalšími univerzitami na úspěšném vývoji 3D tiskárny, která dokáže tisknout biologické materiály a živé buňky současně. V říjnu 2015 společnost genefit uvedla na trh třetí generaci biologického 3D tiskového pracoviště, které úspěšně „tisklo“ jaterní jednotky v dávkách pro screening léků.

V dnešní době, s pokrokem a vyspělostí technologie 3D biotisku, je budoucnost 3D biotisku stále jasnější.

Před 3D tiskem orgánů

Světlá budoucnost však neznamená, že proces bude hladký. Koneckonců, biologický 3D tisk je interdisciplinárním odvětvím medicíny, biologických věd, věd o materiálech, informačních technologií, tkáňového inženýrství, výroby, klinických zkoušek a tak dále. Tři nejdůležitější podmínky pro tisk živého orgánu jsou buňky, lešení a indukce.

Technologie přímého sestavení buněk se týká přímého sestavení buněk nebo materiálů buněčné matrice do požadovaných struktur podle 3D datových modelů a nakonec vytvoření živé tkáně nebo orgánu následnou kultivací.

Technologie nepřímého sestavení buněk se týká vybudování skeletu buněčné kultury s biomateriály, následného připojení buněk k odpovídajícím pozicím skeletu podle požadovaných struktur prostřednictvím 3D modelů a následné indukce buněk, aby přežily, aby byly kultivovány do živých tkání a orgánů.

Měli bychom však vědět, že struktura samotného orgánu je velmi složitá a v orgánu je více než jedna buňka. Jak dosáhnout složitého uspořádání více buněk a udržet jejich růst, je stále obtížným problémem, kterému tisk orgánů čelí. Vezměte si krevní cévy jako příklad. Krevní cévy vypadají strukturou jednoduše, ale ve skutečnosti kromě toho, že mají více vrstev různých struktur buněčné tkáně (typické krevní cévy se skládají hlavně z endotelu, hladkého svalstva a fibroblastů), má stěna krevních cév také funkce selektivní permeability, elasticitu stěny krevních cév a antikoagulaci, které velmi ztěžují výrobu aktivních krevních cév in vitro, které nahrazují nemocné krevní cévy in vivo.

Kromě toho, jak zajistit, aby materiál lešení byl netoxický a vhodný pro lidské tělo, aby buňky mohly normálně růst, a jak vyvolat růst buněk, aktivovat vytištěný orgán a zcela nahradit původní orgán k vyřešení.

Konečně použití takových orgánů přinese také řadu úvah o lidské povaze a morálce. Tolerantní prostředí veřejného mínění, které umožňuje aplikaci souvisejících technologií, je stále ve výstavbě. Tato pochybnost o tiskařských orgánech se plně odrazila v krátkém sci-fi románu „centrum událostí“ od nidi okolafer.

V románu se zpráva, že nigerijský prezident fengmi nechal transplantovat srdce, rozšířila jako požár a vyvolala celonárodní pobouření. Na rozdíl od současných předpokladů vědců, umělé srdce připravené centrem akce pro prezidenta již nepochází ze zvířat, ale je založeno na rostlinné tkáni, využívající autologní kmenové buňky a technologii 3D tisku.

I když tato technologie v románu dozrála, v románu se Yiqi, hlavní chirurg ze Spojených států, stále obává o efektivitu operace. Pokud Izziho pochybnosti souvisí hlavně s úspěchem nebo neúspěchem samotné technologie, puč, který zahájil prezidentův synovec sibbi a bývalý generál ochchuku, se dotkl dalšího problému, který tato technologie přináší: dojde po transplantaci srdce k zásadní změně temperamentu? , nebo dokonce možnost být ovládán? Tato spekulace není nevyprovokovanou domněnkou. V reálném světě u mnoha pacientů po transplantaci jater dojde během určitého časového období ke změnám osobnosti a kořenem mohou být endokrinní regulační změny způsobené odmítacími reakcemi.

Klíčem k této obavě je: co jsou lidé? Máme se spoléhat na kompletní sadu původních orgánů, nebo na tělo a mysl, které dokážou samostatně myslet a jednat? I když vývoj techniky téměř nezávisí na vůli lidstva, je stále nutné být obezřetný ohledně dvojí povahy technologie. Je třeba si uvědomit, že řada otázek o tom, zda je technologie dobrá nebo špatná, je často nevyhnutelnou cestou v procesu popularizace technologie, tedy „v minulosti to bylo rozmarné, nyní je to obtížné a v budoucnu je to zvykem“. Koneckonců, když je vytvořena technologie, musíme se nejvíce zajímat o to, jak ji co nejlépe využít.

3D tištěné orgány nám možná slibovaly krásnou budoucnost, ale než přijde budoucnost, musíme ještě tuto technologii správně pochopit a nevybavit ji technickou etikou a pravidly používání – ve skutečnosti biologický 3D tisk zdaleka nedosahuje původní myšlenka tisku orgánů a tisku živých orgánů in vitro, které lze použít k transplantaci, má před sebou ještě dlouhou cestu.

důležitá klauzule