מהדפסת תלת מימד להדפסת איברים תלת מימדית, כמה רחוק האדם מחיי ההדפסה?

משנות ה-80 ועד היום, הדפסת תלת מימד עברה דרך ארוכה. הדפסת תלת מימד ביולוגית, כענף חשוב של הדפסת תלת מימד, התקדמה מאוד מאז שהוצעה בסביבות שנת 2000.

כמובן שלהדפסת תלת מימד ביולוגית יש גם רמות רבות, כולל ייצור מבנים ללא דרישות תאימות ביולוגית, כגון הדפסת תלת מימד של מוצרים לתכנון נתיבים כירורגיים, הנמצאים בשימוש נרחב כיום, ייצור מוצרים בלתי מתכלים עם דרישות תאימות ביולוגית, כגון מפרקי סגסוגת טיטניום, תותבות סיליקון לתיקון פגמים, וייצור מוצרים מתכלים עם דרישות של תאימות ביולוגית, כגון עצם קרמית אקטיבית ותומכי כלי דם מתכלים, אך הדבר החשוב והמודאג ביותר הוא הדפסת תלת מימד של איברים המבצעים מניפולציות על תאים חיים לבניית רקמות תלת מימדיות ביוניות.

בגלל רצונו של האדם להארכת חיים, ניתן לומר שהדפסת איברים הייתה חלום של האנושות במשך אלפי שנים, וחיי ההדפסה הם משאלת הלב האולטימטיבית של האנושות. עכשיו, אנשים מנסים למהר לעבר המשאלה האולטימטיבית של האנושות.

למה אני צריך הדפסת איברים תלת מימדית?

מימוש הדפסת תלת מימד ביולוגית קשור קשר הדוק להנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית. התחדשות רקמות היא המטרה, בעוד שהנדסת רקמות היא האמצעי.

ביניהם, המושג של הנדסת רקמות הוצע על ידי Feng Yuanzhen, מדען סיני אמריקאי, והוא נקבע על ידי הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית בשנת 1987. הנדסת רקמות מתייחסת להפקדת תאים על פיגומים ביולוגיים ליצירת קומפלקסים של חומרי תאים, וכן לאחר מכן השתלת פיגומים המכילים תאים בגוף כדי לגרום להיווצרות רקמות או איברים תואמים על ידי שימוש בסביבה in-vivo, כדי להשיג תיקון פצעים ושחזור תפקודי. השיטה הקונבנציונלית של הנדסת רקמות היא להפריד את ייצור הפיגומים מהיצמדות התאים, אך קשה להשיג שיקוע של סוגים וצפיפויות שונים של תאים במיקומים שונים של פיגומים. הדפסת תלת מימד ביולוגית יכולה לממש מניפולציה כיוונית מרחבית מרובת תאים ותצהיר ניתן לשליטה של ​​צפיפויות תאים שונות, מה שפשוט פותר את הקשיים הנוכחיים העומדים בפני הנדסת רקמות.

במשך זמן רב, ייצור רקמות או איברים פעילות במבחנה הייתה המטרה של המרדף הבלתי נלאה של אנשים. מצד אחד, יש פער עצום בהשתלת איברים. עד כה, בעיות רפואיות רבות, כמו אי ספיקת כליות וגידולים ממאירים, עדיין מטופלות באמצעות השתלת איברים. עם זאת, תמיד היה מחסור בתורמים בהשתלת איברים אלוגניים. הן בארץ והן בחוץ, עקב חוסר תרומת איברים, שיעור ההצלחה בהתאמה אינו גבוה, וחולים הזקוקים להשתלת איברים יכולים רק להמתין.

בארצות הברית, על פי רשת שיתוף המשאבים של ארצות הברית (UNOS), חולה אחד מת כל 1.5 שעות מכיוון שאינו יכול לחכות להשתלת איברים מתאימה, ויותר מ-8 מיליון חולים זקוקים לפעולות הקשורות לתיקון רקמות מדי שנה. בסין, על פי הסטטיסטיקה, כ-1.5 מיליון אנשים זקוקים להשתלת איברים מדי שנה עקב אי ספיקת איברים סופנית, אך רק כ-10,000 אנשים יכולים לקבל טיפול השתלת איברים מדי שנה, והמקור המצומצם של איברים חיים אינו יכול לענות על הצרכים של חולים.

אם ניקח לדוגמה השתלת כליה, 3000 חולים מושתלים מדי שנה, והביקוש גבוה עד 300000. רוב החולים יכולים רק להידרדר או אפילו למות בזמן ההמתנה לליגנדים. במקביל, מספר החולים הזקוקים להשתלת איברים בסין עדיין גדל ביותר מ-10 אחוז מדי שנה. בנוסף, ישנן תגובות דחייה חיסוניות לאחר השתלת איברים, המחייבות טיפול מדכא חיסון ארוך טווח.

לאור זאת, דרושה בדחיפות שיטה יעילה לפתרון המחסור באיברים התורמים ותגובת הדחייה בהשתלת איברים. ההופעה וההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית ביולוגית מספקות פתרון חדש לגמרי לבעיית המחסור ברקמות או איברים - הדפסה תלת מימדית ביולוגית יכולה להדפיס ישירות איברים או רקמות חיים במבחנה או in vivo באמצעות תאים חיים המופקים מתאי גזע בוגרים משלהם. מושרה ומובחן במבחנה כחומרי גלם, ובכך מחליפים איברים או רקמות בתפקודים שאבדו.

נכון להיום, הדפסת תלת מימד ביולוגית השיגה הישגים מסוימים בתחום השתלת איברים, ומיושמת לשיקום ושחזור של עור, עצם, כלי דם מלאכותיים, סדי כלי דם, רקמות לב ומבני סחוס.

מצד שני, מחקר המנגנון הרפואי הנוכחי זקוק למודלים במבחנה מדויקים יותר. פתרונות מסורתיים מבוססים לרוב על תרבית תאים דו-ממדית וניסויים בבעלי חיים. עם זאת, השיטה המבוססת על תרבית תאים דו-ממדית שונה מאוד מהסביבה התלת-ממדית בגוף האמיתי, ובמקרים מסוימים, עשויות להיות תוצאות סותרות, מה שמגביל את ערך הייחוס. בנוסף לבעיות אתיות רבות בניסויים בבעלי חיים, הדבר המכריע ביותר הוא שיש הבדל גדול בין הסביבה הפנימית של בעלי החיים לבין הסביבה האנושית.

במילים אחרות, אם ניתן להשתמש בתאים אנושיים כדי לשחזר את הסביבה התלת מימדית של רקמות או איברים במבחנה, ניתן לפצות היטב על הפגמים של פתרונות קיימים, וללא ספק ניתן לעשות שימוש נרחב בבנייה של רקמות או איברים במבחנה. סקר וחקירת מנגנוני מחלות.

מה שזה יביא לאנשים הוא קפיצת מדרגה ברפואה המדויקת וברפואה מותאמת אישית. אחרי הכל, ישנם מאפיינים והבדלים במבנה הפיזי ובמצבים הפתולוגיים של כל אדם, במיוחד עבור חולים עם מצבים מורכבים ונדירים. בהתחשב בסיכון הגבוה בניתוח, הרופאים יכולים להדפיס את החלקים הפתולוגיים של המטופל ביחס של 1:1 בעזרת טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית, על מנת לבצע תכנון טרום ניתוחי ותרגילים מדויקים למקרים מורכבים, נדירים וקשים.

זה לא רק יכול לספק לרופאים נתונים מבניים תלת מימדיים מדויקים לתכנון תוכניות כירורגיות, אלא גם לצפות בתצוגה מקדימה של כל התהליך הניתוחי ולשפר את התכנון הניתוחי תחת הנחת היסוד של אינטואיטיבי ומציאותי יותר, כדי לשפר את הדיוק של ניתוח אמיתי ולהפחית הסיכון הניתוחי. בנוסף, עבור מטופלים שונים, מדריכים כירורגיים מותאמים אישית בהדפסת תלת מימד יכולים להפחית ביעילות את הטראומה והדימום של הניתוח, לקצר מאוד את זמן הפעולה ולשפר את דיוק הניתוח.

לכן, בהשוואה לטכנולוגיה רפואית מסורתית, על בסיס כיבוד ושליטה בהבדלים אינדיבידואליים, טכנולוגיית הדפסת תלת מימד יכולה לממש התאמה אישית אמיתית ולהפוך את הטיפול הרפואי למדויק יותר.

העתיד הולך ומתבהר

בשנת 2003, תומס בולנד מאוניברסיטת קלמסון מימש בהצלחה הדפסת תאים חיים על ידי שימוש במדפסת HP שונה (h550c) ובמחסנית דיו (hp51626a), חיץ PBS המכיל תאי שחלות אוגר סיני (CHO) ותאי עצב מוטוריים עובריים של עכבר כ"ביו דיו", ואגר סויה/קולגן ג'ל כ"ביו נייר", ופרסם את המאמר הראשון שלו על הדפסה ביולוגית של תאים, שדווח על ידי כלי תקשורת כולל American Science Journal ו-CNN. בשנת 2004 הגישה קבוצת המחקר בקשה לפטנט ראשון להדפסת תאים ואיברים, וקיבלה את אישור הפטנט בשנת 2006. מאוחר יותר, הטכנולוגיה אושרה לחברת Organovo, חברה מפורסמת להדפסת תלת מימד ביולוגית הרשומה בנאסד"ק.

מאז, גם איברים מודפסים בתלת מימד נכנסו רשמית לנתיב הפיתוח והביאו תקוות רבות לרפואה רגנרטיבית. בדצמבר 2010, Organovo ייצרה את כלי הדם האנושי הראשון עם הדפסה ביולוגית באמצעות MMX נובוגן. מאז, החברה גם הדפיסה דוגמאות קטנות של רקמת שרירי השלד, העצם והכבד, השתילה בהצלחה עצבים בעמוד השדרה וקבעה תוכנית ארוכת טווח לייצור רקמות מושתלות אנושיות. תחילה, הדפסה לפי דרישה זו התמקדה בעיקר בתיקון שריר הלב, השתלת עצב או מקטעי עורקים, מכיוון שרקמות אלו קטנות יחסית וקל יותר להדפסה, וגם האפשרות ליישום קליני גדולה יותר.

בשנת 2012, מדענים סקוטים השתמשו בתאים אנושיים כדי להדפיס רקמת כבד מלאכותית במדפסת תלת מימד בפעם הראשונה. באותה שנה, המרכז הרפואי הציבורי של אוניברסיטת מישיגן יצר קנה נשימה מלאכותי באמצעות טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית, וביצע את פעולת השתלת האיברים המודפסים בתלת מימד הראשונה בעולם. זו הפעם הראשונה שבני אדם משתמשים בחלקים מודפסים בתלת מימד כדי לסייע בארגון וארגון מחדש. הוא פורסם ב-New England Journal of medicine במאי 2013.

בפיתוח אחר לגמרי בדצמבר 2012, הודיעה Organovo שהיא שיתפה פעולה עם Autodesk כדי לייצר את תוכנת העיצוב התלת-ממדית הראשונה להדפסה ביולוגית. זה פותח את Novogen MMX ליותר משתמשים, ובכך משפר את הזמינות והפונקציונליות של הדפסה ביולוגית.

כפי שאמר קית' מרפי, יו"ר ומנכ"ל Organovo, המטרה ארוכת הטווח של השותפות החדשה של החברה עם Autodesk היא "לשאיפה לאפשר ללקוחות לעצב ארגוני תלת מימד בעצמם, ולאחר מכן לתת לאורגנובו להיות אחראית על הייצור". בדיוק כפי שפסלים יכולים כעת להעלות תכשיט חדש ליצרני תכשיטים, הם יכולים להדפיס בתלת מימד חפצי פלסטיק או מתכת. בעתיד, הרופאים יכולים לשלוח גם את המודלים האלקטרוניים של השתלות עורקים או איברים שלמים לאורגנובו לצורך הדפסה ביולוגית, ואז אורגנובו תחזיר את המוצרים המוגמרים. בשנת 2012, MIT Technology Review דירג את Organovo כאחת מ-50 החברות החדשניות ביותר בעולם, ובשנת 2010, מגזין Time דירג את נובוגן MMX כאחת ההמצאות הטובות של השנה.

בשנת 2013, שתל הגולגולת המותאם אישית הראשון בעולם להדפסת תלת מימד (חברת OPM האמריקאית) אושר על ידי ה-FDA. בפברואר אותה שנה פרסמו חוקרים מאוניברסיטת קורנל בארצות הברית דוח לפיו השתמשו בתאי אוזניים של בקר להדפסת אוזניים מלאכותיות במדפסת תלת מימד, שניתן להשתמש בהן להשתלת איברים של ילדים עם מומים מולדים.

בנובמבר 2014 השיקה Organovo את רקמת כבד אנושית מודפסת בתלת-ממד הזמינה שלה, exvive3dtm לבדיקות תרופות פרה-קליניות.

באפריל 2015 הכריזה Organovo על נתוני רקמת הכליה השלמה התלת-ממדית הראשונה בעולם בכנס ביולוגיה ניסויית בבוסטון. רקמת הכליה הנוכחית יכולה לשרוד רק כמה ימים בתנאי מעבדה רגילים, בעוד שרקמת הכליה המודפסת בתלת-ממד של Organovo יכולה להחזיק מעמד "שבועיים לפחות".

בסין, פרופסור יאן יונגניאן מאוניברסיטת טסינגואה הוביל את הצוות לבצע מחקר על טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית ביולוגית בסביבות שנת 2002. בשנת 2004 הוא הוביל את הצוות להשלמת מערכת הכתיבה הישירה בתא והדפסת התא, והקים הנדסת ייצור ביולוגית מתקדמת בינלאומית. מעבדה, המכונה "האדם הראשון בהדפסת תלת מימד בסין".

באוגוסט 2013, Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd (בקיצור regenovo) שיתפה פעולה עם מדענים מאוניברסיטת Hangzhou למדע וטכנולוגיה אלקטרונית ומאוניברסיטאות אחרות כדי לפתח בהצלחה מדפסת תלת מימד שיכולה להדפיס חומרים ביולוגיים ותאים חיים בו-זמנית. באוקטובר 2015 השיקה genefit את הדור השלישי של תחנת עבודה ביולוגית להדפסה תלת מימדית, אשר "הדפיסה" בהצלחה יחידות כבד בקבוצות לצורך בדיקת תרופות.

בימינו, עם ההתקדמות והבשלות של טכנולוגיית ההדפסה הביולוגית בתלת-ממד, העתיד של ההדפסה הביולוגית התלת-ממדית הולך ומואר.

לפני הדפסת 3D איברים

עם זאת, עתיד מזהיר לא אומר שהתהליך חלק. אחרי הכל, הדפסת תלת מימד ביולוגית היא תעשייה בינתחומית של רפואה, מדעי החיים, מדעי החומרים, טכנולוגיית מידע, הנדסת רקמות, ייצור, ניסויים קליניים וכן הלאה. שלושת התנאים החשובים ביותר להדפסת איבר חי הם תאים, פיגומים ואינדוקציה.

טכנולוגיית הרכבה ישירה של תאים מתייחסת להרכבה ישירה של תאים או חומרים מטריצות תאים למבנים רצויים על פי מודלים של נתונים תלת מימדיים, ולבסוף יצירת רקמה או איבר חיים באמצעות תרבית שלאחר מכן.

טכנולוגיית הרכבה עקיפה של תאים מתייחסת לבניית פיגום תרבית תאים עם חומרים ביולוגיים, לאחר מכן הצמדת תאים למיקומים המתאימים של הפיגום בהתאם למבנים הנדרשים באמצעות מודלים תלת מימדיים, ולאחר מכן גרימת תאים לשרוד לתרבית לתוך רקמות ואיברים חיים.

עם זאת, עלינו לדעת שמבנה האיבר עצמו מורכב מאוד, ויש יותר מתא אחד באיבר. כיצד להשיג סידור מורכב של תאים מרובים ולשמור על צמיחתם היא עדיין בעיה קשה איתה מתמודדת הדפסת איברים. קח את כלי הדם כדוגמה. כלי הדם נראים פשוטים במבנה, אך למעשה, בנוסף למספר רב של שכבות של מבני רקמת תאים שונים (כלי דם טיפוסיים מורכבים בעיקר מאנדותל, שריר חלק ופיברובלסטים), לדופן כלי הדם יש גם פונקציות של חדירות סלקטיבית, גמישות דופן כלי הדם ונוגדי קרישה, המקשים מאוד על ייצור כלי דם פעילים במבחנה להחלפת כלי דם חולים in vivo.

בנוסף, כיצד לוודא שחומר הפיגום אינו רעיל ומתאים לגוף האדם, כך שהתאים יוכלו לגדול כרגיל, וכיצד לעורר את צמיחת התא, להפעיל את האיבר המודפס ולהחליף לחלוטין את האיבר המקורי הן גם בעיות. להיפתר.

לבסוף, השימוש באיברים כאלה יביא גם שורה של שיקולים לגבי טבע האדם והמוסר. סביבת דעת קהל סובלנית המאפשרת יישום של טכנולוגיות קשורות עדיין בבנייה. הספק הזה לגבי הדפסת איברים בא לידי ביטוי במלואו ברומן המדע הבדיוני הקצר "מרכז אירועים" מאת nidi okolafer.

ברומן, הידיעה שנשיא ניגריה פנגמי עבר השתלת לב התפשטה כמו אש בשדה קוצים, ועוררה סערה לאומית. בשונה מההנחות הנוכחיות של המדענים, הלב המלאכותי שהכין מרכז האירועים לנשיא אינו נגזר עוד מבעלי חיים, אלא מבוסס על רקמת צמחים, תוך שימוש בתאי גזע אוטולוגיים וטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית.

למרות שהטכנולוגיה הזו הבשילה ברומן, ברומן, Yiqi, המנתח הראשי מארצות הברית, עדיין מודאג מיעילות הניתוח. אם הספקות של איזי קשורים בעיקר להצלחה או לכישלון של הטכנולוגיה עצמה, ההפיכה שפתח אחיינו של הנשיא והגנרל לשעבר אוצ'וקו נגעה לבעיה נוספת שהביאה הטכנולוגיה: האם יחול שינוי משמעותי בטמפרמנט לאחר השתלת לב , או אפילו האפשרות להיות נשלט? ספקולציה זו אינה השערה בלתי מעוררת. בעולם האמיתי, להרבה חולי השתלת כבד יש שינויים באישיות בתוך פרק זמן מסוים, והשורש עשוי להיות השינויים הרגולטוריים האנדוקריניים הנגרמים מתגובות דחייה.

המפתח לדאגה הזו הוא: מה הם אנשים? האם עלינו להסתמך על סט שלם של איברים מקוריים, או גוף ונפש שיכולים לחשוב ולפעול באופן עצמאי? למרות שהתפתחות הטכנולוגיה כמעט ולא תלויה ברצון האנושות, עדיין יש צורך להיזהר מהטבע הכפול של הטכנולוגיה. צריך להכיר בכך שסדרה של שאלות לגבי האם טכנולוגיה טובה או רעה הן לעתים קרובות הדרך הבלתי נמנעת בתהליך הפופולריות של הטכנולוגיה, כלומר, "בעבר זה היה גחמני, עכשיו זה קשה, ובעתיד זה נהוג". אחרי הכל, כשנוצרת טכנולוגיה, איך לנצל אותה בצורה הטובה ביותר זה הדבר החשוב לנו ביותר.

איברים מודפסים בתלת מימד אולי הבטיחו לנו עתיד יפה, אבל לפני שהעתיד יגיע, מה שאנחנו עדיין צריכים לעשות זה להבין נכון את הטכנולוגיה הזו ולא להעניק לה אתיקה טכנית וכללי שימוש - למעשה, הדפסת תלת מימד ביולוגית רחוקה מלהגיע. לרעיון המקורי של הדפסת איברים, והדפסה חוץ גופית של איברים חיים שניתן להשתמש בהם להשתלה יש עוד דרך ארוכה לעבור.

סעיף חשוב