16.03.2016
A bioprinting viszonylag új irány az orvostudomány fejlődésében, amely az additív technológiák rohamos fejlődése miatt jelent meg.
A tudósok világszerte jelenleg keményen dolgoznak olyan többfunkciós nyomtatók létrehozásán, amelyek képesek nyomtatni olyan működő szerveket, mint a szív, a vesék és a máj.
Figyelemre méltó, hogy a bionyomtatók prototípusai már ma is képesek csont- és porcos implantátumok nyomtatására, valamint komplex biológiai élelmiszertermékek létrehozására, amelyek zsírokat, fehérjéket, szénhidrátokat és vitaminokat tartalmaznak.
Az irodai nyomtatótól a komplex biomechanikus gépig
Az első bionyomtatók messze nem voltak tökéletesek. Az első kísérletekhez a tudósok hagyományos, munkakörülmények között korszerűsített asztali tintasugaras eszközöket használtak.
2000-ben Thomas Boland biomérnök újrakonfigurálta a Lexmark és a HP asztali nyomtatóit DNS-fragmensek nyomtatására.
Kiderült, hogy az emberi sejtek mérete egy csepp szabványos tinta méretéhez hasonlítható, és körülbelül 10 mikron. Tanulmányok kimutatták, hogy a sejtek 90%-a életképes marad a bionyomtatási folyamat során.
2003-ban Thomas Boland szabadalmaztatta a cellás nyomtatási technológiát. Ettől a pillanattól kezdve a szervek nyomtatása 3D-s nyomtatón már nem tűnik fantáziának. Az elmúlt két évtizedben a magánlaboratóriumi kutatások gyorsan bővülő iparággá fejlődtek, amely a fülkagylók, szívbillentyűk, ércsövek nyomtatásának, valamint csont- és bőrszövetek rekonstrukciójának tárgyát képezi a későbbi átültetés céljából.
2007-ben a bionyomtatás kereskedelmi kitekintést nyert. Eleinte a tudósoknak több mint 600 000 dollárt sikerült megszerezniük a bionyomtatás fejlesztésére, de már 2011-ben a beruházások volumene évi 24,7 millió dollárra nőtt.
Ma „bionyomtatás” általános elnevezés alatt számos közvetett módon kapcsolódó bionyomtatási technológia létezik. Fényérzékeny hidrogéllel, töltőporral vagy speciális folyadékkal lehet szerveket létrehozni 3D nyomtatón.
Az alkalmazott géptől függően a munkaanyagot az adagolóból állandó áramlás vagy adagolt cseppek formájában szállítják. Ezt a megközelítést alacsony sejtsűrűségű lágy szövetek – darab bőr és porc – létrehozására használják. A csont isplantátumok természetes polimerekből készült olvasztott réteggel vannak nyomtatva.
A 3D bionyomtatás elméletétől a gyakorlatig
2006-ban került sor az első sikeres kísérletre a szervek 3D nyomtatón történő létrehozására. A Wake Forest Institute for Regenerative Medicine biomérnökeinek csoportja hét kísérleti beteg számára tervezett és nyomtatott hólyagokat.
Az orvosok a betegek őssejtjeit használták fel mesterséges szerv létrehozására. A donorszövet mintáit egy speciális zárt kamrában, extruder segítségével vitték fel a hólyag modelljére, amelyet az emberi test természetes hőmérsékletére melegítettek.
6-8 hét elteltével az intenzív növekedés és az azt követő osztódás során a sejtek emberi szervet hoztak létre.
Csak néhány cég foglalkozik teljes mértékben a szervek 3D-nyomtatásával. Ezen az úton a legnagyobb sikert az amerikai Organovo cég mérnökei érték el, akik májszövetet nyomtathattak.
2014-ben a gyógyszergyárak több mint 500 000 dollárt fektettek be az Organovo tevékenységeibe.
A svájci RegenHu cég közel került amerikai kollégái sikeréhez. Egy európai fejlesztőnek sikerült létrehoznia egy lézeres és adagolós bionyomtatót, amely biopapírral nyomtat.
A japán CyFuse cég viszont a sejtkapcsolatok modellezésén dolgozik mikroszkopikus rudakra felfűzött szferoidok segítségével.
2014 elején az RCC a Nano3D Biosciences szakértőinek támogatását kérte az első kereskedelmi bionyomtató megalkotásához. A készülék nem szervek nyomtatására szolgál, de segít a gyógyszerészeknek a gyógyszerek kutatásában.
Lehetséges, hogy a nem túl távoli jövőben a Rainbow Coral Corp termékeit széles körben használják majd a gyógyszergyártásban.
A FÁK-országok tudósai lépést tartanak nyugati kollégáikkal. A közelmúltban a legnagyobb orosz orvosi vállalat, az INVITRO által alapított 3D Bioprinting Solutions biotechnológiai kutatási laboratórium által kezdeményezett biológiai kutatások sikeresen befejeződtek Oroszországban.
A biomérnököknek sikerült kinyomtatniuk a pajzsmirigy életképes 3D-s modelljét. Egy nyomtatott szervet sikeresen átültettek egy kísérleti egérbe. A kísérlet során egy innovatív hazai 3D nyomtatót, FABION-t használtak, amelyet ugyanaz a cég készített.
Olvasással többet megtudhat arról, hogyan zajlott a kutatás a 3D Bioprinting Solutions laboratóriumban videó-.
2014 novemberében felkavarta a világot a hír, hogy az Organovo cég szakembereinek sikerült kinyomtatniuk a májat egy 3D nyomtatón. Ezúttal amerikai tudósok sikeresen újraalkották a működő emberi szövetet, amely 5 hétig megőrizte képességeit.
A nyomtatott szervet gyógyszerek tesztelésére szánták, de nem tagadták, hogy hamarosan donorszervek létrehozására is átalakítják felszerelésüket.
Eközben a gyógyszergyárak az Organovo laboratóriumban nyert anyagot kísérleti gyógyszerkészítmények tesztelésére használják fel.
Ez a megközelítés lehetővé teszi a gyógyszergyártók számára, hogy biztonságosabb, kevésbé toxikus antibiotikumokat fejlesszenek ki.
A gyártó cég sajtóközpontja szerint a következő öt évben az Organovo és partnerei uralni fogják a transzplantációs piacot.
A biomérnökök már 3D-ben nyomtattak életképes bimbókat, amelyek két hétig működnek. A vállalat kereskedelmi forgalomban is gyárt veseszövetet, amelyet a gyógyszerészek megvásárolhatnak, hogy tanulmányozhassák az ígéretes gyógyászati készítményeket.
A biológiai szövetet exVive3D szövetnek nevezték el.
A bionyomtatás a vártnál gyorsabban halad. Az alkalmazott technológiák azonban korántsem tökéletesek. Az orvosi implantátum egy másik kérdés.
A mérnökök megtanulták modellezni és reprodukálni az emberi csontváz különféle elemeit - az ujjak falángjait, csípőízületeit, a mellkas részleteit.
A csontimplantátumokat szelektív lézeres szinterezéssel készítik nitinolból (titán-nikilid) - egy nagy szilárdságú anyag, amely biokémiai összetételében hasonlít a csontszövetre. A nyomtatási folyamat során számítógépes tomográfiával nyert 3D modelleket használnak.
A polimer protézisek nem kevésbé népszerűek. A kézprotéziseket nem lehet szervnek nevezni, de figyelmet érdemel, hogy a rászorulók könnyen hozzájuthatnak a normális életükbe való visszatéréshez.
Egy ilyen eszköz költsége nem haladja meg a 10-15 ezer rubelt.
A bionyomtatás a csúcson van, és továbbra is figyelemmel kísérjük. Maradjon velünk, hogy mindig naprakész legyen a 3D nyomtatás világának legfontosabb eseményeivel.
Egy emberi szerv 3D nyomtatása egy napon orvosi rutinná válhat. A "3D Bioprinting Solutions" cégnél az ITAR-TASS tudósítója ismerkedett meg a hazai bionyomtatás vívmányaival.
A "3D Bioprinting Solutions" Biotechnológiai Kutatólaboratórium munkatársa
A bionyomtatás három szakasza
A "3D Bioprinting Solutions" laboratóriumban egy lamináris (steril doboz) üvege alatt található egy olyan eszköz, amely első ránézésre egy hagyományos 3D nyomtatóra hasonlít: mechanikus meghajtók, és üvegcsövek formájában lévő patronok: "tintát" tartalmaznak. A nyomtató zörög, széthajtogatja a patronokat, valami az üvegtartóra préselődik - fokozatosan megjelenik valami apró zselatinos szerkezet. Ebben az esetben egy elemi tintacsepp nem csak sejtek, hanem úgynevezett szöveti szferoidok - mikron méretű golyók, amelyek legfeljebb 2 ezer élő sejtet tartalmaznak a kívánt típusúakból. Tekintettel arra, hogy a szerv különböző típusú sejtekből áll, több patron is létezik. A biopapír, vagyis a biotinta rögzítésének helye egy hidrogél.
Egy "hétköznapi" 3D nyomtatóval aligha lepsz meg senkit: 1985-ben találta fel az amerikai Chuck Hall. Három évtizeddel később a 3D nyomtatókat tömegesen gyártják, és manapság fő kereskedelmi felhasználásuk az épületektől a repülőgépekig bármiféle prototípus 3D nyomtatása. Vannak olyan háztartási modellek is, amelyek lehetővé teszik például egy csésze nyomtatását. Az orvostudományban is régóta alkalmazzák a 3D nyomtatást: a sebészetben, a fogászatban protézisek vagy implantátumok gyártásához. De ami igazán forradalmi, az a bionyomtatás ígérete, a 3D nyomtatás következő evolúciós lépése. Amikor az emberiség megtanul új szerveket nyomtatni élő sejtekkel az elhasználódottak helyett, az élet már soha nem lesz a régi.
Vlagyimir Mironov orosz tudós 2003-ban az Észak-Karolinai Egyetemen azon töprengett: miért ne lehetne újra biológiai struktúrákat létrehozni pontosan ugyanazon az elven, mint a 3D nyomtatók polimer struktúráinak elkészítésében, és műanyag helyett sejteket használva "tintaként". Ugyanebben a 2003-ban kidolgozta az úgynevezett „orgonprinting” általános technológiáját, és publikált egy cikket, amely után a „bionyomtató”, „biopapír”, „biotinták” kifejezések használatba vételére került sor. Ma Vladimir Mironov az orosz 3D Bioprinting Solutions vállalat tudományos igazgatója, a Skolkovo Biomedical Technologies klaszter rezidense.
Szemmel nem látszik, de ahogy elmagyarázzák nekem, a bionyomtatót ultraibolya sugárzás forrásával is ellátták: sugárzás szükséges a biológiailag lebomló hidrogél megkeményedéséhez.
„Jegyezd meg, mi nem műveléssel foglalkozunk, hanem összeszereléssel, vagyis a szervek összeállításával. Minden egy szerv digitális 3D-s modelljével kezdődik - gyakorlatilag rétegekre kell vágni, be kell állítani a különböző típusú sejtek eloszlását ezekben a rétegekben, gondoskodni kell az üreges szferoidok elhelyezéséről, amelyekből edények képződnek. mondja Vladimir Mironov. A képernyőn látható, hogy pontosan mit csinált a nyomtató a szemem előtt: a hidrogél aljára egy réteg gömbgolyókat (különböző színű golyók - különböző cellák) fektetnek, majd ismét egy réteg hidrogél, és rajta a következő szferoidok rétege. De a térfogati modellben hengeres lyukak keletkeztek - ezek az edények csatornái. A nyomtatott terv még nem kész orgona. Egyelőre ez csak egy olyan szerkezet, amelyben a sejtek szferoidjait a közöttük elhelyezkedő hidrogél tartja meg: innen ered a zselé típusa. A következő szakasz a szövetek érése, vagyis a szferoidok együtt nőnek a hidrogél egyidejű eltávolításával. Ez a folyamat egy speciális bioreaktorban zajlik: egy inkubátorszekrényben elhelyezett kis kamrában, amely fenntartja a szükséges hőmérsékletet és páratartalmat. „Amit láttál, az valójában egy orgona összeszerelésének három fő szakasza van: a digitális modell elkészítése, a nyomtatási folyamat és az érlelés. Mindegyikük önmagában egy különálló komplex kutatási terület” – jegyzi meg Vladimir Mironov. 
Vladimir Alekszandrovics Mironov, a Biotechnológiai Kutatási Laboratórium "3D Bioprinting Solutions" tudományos igazgatója
Sejttechnológiák
Nyilvánvaló, hogy minden szervet az adott beteg számára megfelelő sejtekből kell nyomtatni. Három forrásból származó őssejtek a nyersanyag a „biotinta” előállításához. Használhatók bármely szerv sejttenyésztésére. Az első, a leginkább hozzáférhető, a páciens saját zsírszövete. Egy másik forrás az embrionális őssejtek. Ezeket a sejteket a szülés után izolálják a köldökzsinórvérből, és speciális kriobankokban tárolják. De kevés betegnek van ilyen tartaléka. Ezért van egy harmadik forrás is: az indukált őssejtek, vagyis nagy közelítéssel, donorsejteket használó páciens számára termesztve.
„Nem alumíniumgyártással foglalkozunk, hanem repülőgépeket építünk” – talál új szavakat Vlagyimir Mironov, kifejtve, hogy a laboratórium feladata a szervek összeállításának technológiájának tökéletesítése, nem pedig a sejtek beszerzése (erre szakosodott cégek vannak). . A zsírszövet elemi sejtjeit azonban itt kapják meg. És ami a legfontosabb, a kísérleti szferoidokat közvetlenül a 3D Bioprinting Solutions laboratóriumban állítják elő. Szferoidok készítésére alkalmas, hálós szerkezetű műanyag formákat mutatnak be. A szferoid egy 200-250 mikronos csepp. Mikroszkóp alatt láthatja, hogy sok sejt van a labda héjában. A szferoidok mind manuálisan (pipettával felhordva), mind a 3D Bioprinting Solutions-ben készített speciális gép segítségével készülnek: az automatizált technológia kidolgozása még folyamatban van.
Az automatizált mikrofluidikus szferoid skálázási módszer a bionyomtatót tintával látja el egy nagy szövetkonstrukcióhoz: másodpercenként 1000 szferoid.
A "3D Bioprinting Solutions" Biotechnológiai Kutatólaboratórium munkatársa
A gyakorlat határán
A 3D Bioprinting Solutions területén mindössze 16 ember dolgozik, beleértve a kutatókat és a vezetőséget. Youssef Khesuani ügyvezető igazgató szerint a céget 2013 elején hozták létre, és azóta több százezer dollárt fektettek be laboratóriumok létrehozásába és kutatásokba. Figyelemre méltó, hogy a befektető a jól ismert "INVITRO" laboratóriumhálózat. Ahogy Vladimir Mironov megjegyezte, általában 15-30 év telik el az ötlettől a kész technológiáig. Előrejelzései szerint az első bioprinterre nyomtatott szervek (eleinte viszonylag egyszerűek, mint a pajzsmirigy) beültetése 2030 körül kerülhet forgalomba. Egy szerv egyszerűségét vagy összetettségét a különféle „opciók” jelenléte határozza meg, mint például a csatornák, szelepek és más elemek, amelyeket gyakran nehéz nyomtatni. „A jövőben a „bionyomtató” részleg minden kórházban olyan mindennapos lesz, mint egy röntgenszoba vagy egy műtő – biztos benne Vladimir Mironov. – Kell valami orgona – a helyszínen azonnal kinyomtatták.
A bionyomtatási technológiák azonban pénzzé tehetők anélkül, hogy megvárnánk ezt a fényes jövőt. „Itt hoztuk létre az első orosz kereskedelmi bionyomtatót – ma már megrendelésre készíthetünk egyet. Különböző országokból vannak jelentkezéseink ”- mondja Yusefa Khesuani. A bionyomtatók a világon 250 ezer és 1 millió dollár között vannak, a rájuk nyomtatott biológiai struktúrákat például gyógyszergyárak használják új gyógyszerek tesztelésére. A "3D Bioprinting Solutions" által létrehozott első orosz bionyomtató különbözik a külföldi társaitól, egyrészt egy speciális ultraibolya sugárzási megoldással, amely a sejtek érintése nélkül éri el a hidrogélt. Másodszor, ez az egyetlen többfunkciós nyomtató, amely egyesíti az összes ismert nyomtatási módszert (cellák, gömbök, hidrogélekben, hidrogélek nélkül).
És végül a 3D Bioprinting Solutions szakemberei kicsire tették a nyomtatójukat, vagyis egy szabványos soros laminárisba illeszkedik - nyugati kollégáknak általában külön laminárokat kell rendelni, amelyek egyenként 20 ezer dollárba kerülnek. csoportok a világ minden tájáról , különféle projekteken dolgozni, amelyek kereskedelmi forgalomba hozatala lehetséges – mondja Youssef Khesuani. "Technológiai platformként működni a biotinta és a biopapír tesztelésére, bionyomtatási technológiák kidolgozására, rendelésre anyagminták készítésére stb. Ideértve a gömbök gyártásához szükséges gépeink és öntőformáink értékesítését."
Ma már két tucatnál kevesebb olyan cég van a világon, amely kész bionyomtatóval rendelkezik. A világ azonban hisz az egészségvédelem forradalmát ígérő irány kilátásaiban: a bionyomtatók gyártását elindító amerikai Organovo cég tavaly egymilliárd dolláros tőzsdei bevezetésre ment ki. öt év alatt prototípusból sorozatossá hangolta a technológiát. Gyorsabban megyünk ezen az úton - mondja Vladimir Mironov. – Az USA-ban másfél évig készítettem el az utolsó bionyomtatómat, itt, Oroszországban pedig fél év alatt. Ezenkívül hat hónapon belül sikerült megszerveznünk a szferoidok gyártását: a brazil laboratóriumban két és fél évet töltöttünk ezzel.
„A 3D Bioprinter projekt két kereskedelmi szakaszból áll. Kezdetben a nyomtatót tudomány-2-tudományos értékesítésre kínálják, a biológiai szövetek és szervmodellek nyomtatása pedig gyógyszerfejlesztésre használható” – mondja Kirill Kayem, a Skolkovo Alapítvány alelnöke, az orvosbiológiai technológiai klaszter ügyvezető igazgatója. „Arra számítunk, hogy az ökoszisztéma-hatás miatt a 3D Bioprinting Solutions fejlesztései iránt a többi skolkovói lakos is igényt fog támasztani. A kereskedelmi forgalomba hozatal második szakaszában azt várjuk, hogy a rendszer sikeres fejlesztése néhány éven belül lehetővé teszi a szervek klinikai gyakorlatban történő felhasználását, többek között a Skolkovo területén található Research Medical Centerben. A 3D Bioprinting Solutions projekt a tudomány és a gyakorlat élvonalába tartozik. Csak néhány tucat ilyen fejlesztés létezik a világon, miközben a szkolkovói rezidens projektjével ellentétben ezek meglehetősen nagy része kifejezetten a nyomószövetekre összpontosít, nem pedig az egész szervekre.
Vlagyimir Mironov abban bízik, hogy jövőre csapata képes lesz kinyomtatni az első teljes értékű szervet - a pajzsmirigyet.
UPD: A laboratórium tulajdonosai - Invitro - most a Habrén vannak. Feltettem a céges blogjukba. Kérdéseivel közvetlenül fordulhat hozzájuk.
Ez az új 3D-nyomtató szervlaboratóriumból származik. Elöl egy impozáns mikroszkóp, majd az AutoCAD mögött két orvosmérnök látható – szöveti szferoidok kialakulásának platformjáról készítenek modellt.
A közelmúltban megnyílt itt egy 3D szerv bionyomtatási laboratórium (Invitro projekt). A körülötte történik valami heves extravagáns félreértés azzal kapcsolatban, hogy mi történik. Általánosságban elmondható, hogy bár nem vagyok mikrobiológus, érdekessé vált számomra. Eljutottam a fejlesztőhöz - V.A. Mironov. Ő volt az, aki feltalálta a nyomószervek technológiáját és szabadalmaztatta azt az Egyesült Államokban, részt vett a bionyomtatók három módosításának kifejlesztésében, és ő volt az új moszkvai laboratórium "tudományos főtisztje":
V.A. Mironov (MD, Ph.D., professzor 20 éves tapasztalattal a mikrobiológiában, különösen az IT határán) - másfél órás folyamatban, miközben elmagyarázta nekem a technológia lényegét, halmot húzott papírból.
A nyomtatásról nem tudott néhány szót mondani, mert először meg kell értenie a probléma történetét. Például, miért kellett elvetnem azt a ragyogó ötletet, hogy béranyában fejetlen embriót növesztessek, majd eltávolítok belőle egy vesét, és biooldószerbe helyezem a felgyorsult érés érdekében.
Közben a fő. Szánjon rá időt, és igyon meg mindent, ami ég: az új máj még nagyon messze van... Megy.
A módszerek evolúciója
Tehát először volt génterápia: a beteget a megfelelő komplexekkel fecskendezték be. Bizonyos sejteket allokáltak, beléjük juttatták a szükséges géneket, majd a sejteket az emberi szervezetbe helyezték. Nem volt elég inzulin - ez az a gén, amely létrehozza a létrejöttét. Sejtkomplexet veszünk, módosítunk, befecskendezünk a betegbe. Az ötlet kiváló, bár egy alapvető hátránya van: a beteg azonnal meggyógyul, és a műtét után nem kell semmit vásárolni. Vagyis találd ki, ki volt a torokban. Nehezen ment az ügy, majd az egyik beteg meghalt - és elkezdődött az Egyesült Államokra jellemző per- és kitiltási hullám, aminek következtében a kutatást vissza kellett szorítani. Ennek eredményeként létezik egy módszer, de azt nem tesztelték megfelelően.A következő trend az volt sejtterápia- embrionális őssejtek felhasználása. A módszer kiváló: „univerzális” sejteket vesznek, amelyek a páciens számára szükségessé alakíthatók. A probléma az, hogy embrióra van szükség ahhoz, hogy valahonnan megszerezzék őket. Az embriót nyilvánvalóan elfogyasztják a sejtek megszerzése során. Ez pedig már erkölcsi és etikai probléma, amely az ilyen sejtek használatának betiltását okozta.
Messzebb - szövettechnika- ilyenkor veszel egy bázist, raksz rá sejteket, az egészet egy bioreaktorba rakod, és a kimeneten megkapod azt az eredményt (szervet), amire a betegnek szüksége van. Mint egy protézis, csak élve. Itt van egy fontos pont: a fő különbség a protézistől az, hogy a protézis eredetileg szervetlen anyagból származik, és nem valószínű, hogy valaha is beépülne a testbe "úgy, mint egy bennszülött". A fa lábat nem lehet megkarcolni.
A szövetmérnöki módszerek azok keret- amikor kilúgozott (dekontaminált) holttestet használnak, amelyet azután a beteg sejtjeivel "betelepítenek". Más tudományos csoportok is próbálkoztak sertésfehérje-szervállványokkal dolgozni (humán donorra nincs szükség, de az immunkompatibilitás teljes magasságba emelkedik). Vannak mesterséges keretek – különböző anyagokból, egyes tudományos csoportok még cukorral is kísérleteztek.
Mironov maga gyakorol keret nélküli technológia(bázisként hidrogélt használva). Az ő módszerében az alappolimer gyorsan lebomlik, és ennek következtében csak sejtes anyag marad. Leegyszerűsítve először egy neoborder keretet helyeznek be elhelyezett sejtekkel, majd a keret „feloldódik”, és a már kifejlett szerv sejtjei veszik át a funkcióit. A keretekhez ugyanazt az anyagot használjuk, mint a sebészeti varratokhoz: könnyen és egyszerűen lebomlik az emberi szervezetben.
A fő kérdés itt az, hogy miért van szükség a 3D nyomtatásra. Ennek megértéséhez ássunk egy kicsit mélyebbre a rendelkezésre álló szövetmérnöki technikákat.
Egyre közelebb a célhoz
Általánosságban elmondható, hogy nagyszerű az az ötlet, hogy egy előre kinőtt szerves szervet helyezzenek be az emberbe. Nézzünk meg három lehetőséget a technológia fejlesztésére:- Fogsz egy szervetlen állványt, beoltod sejtekkel - és kapsz egy kész szervet... A módszer durva, de működik. Róla beszélünk a legtöbb esetben, amikor azt mondják, hogy „kiadtuk az orgonát”. A probléma az, hogy valahol "építőanyagot" kell venni - magukat a sejteket. És ha igen, akkor hülyeség valamiféle külső keretet használni, amikor egyszerűen lehet orgonát összerakni belőlük. De a legfájdalmasabb probléma a hiányos endothelizáció. Például az így készített hörgők esetében a szint körülbelül 70%. Ez azt jelenti, hogy a felületes erek trombogén hatásúak – a beteg meggyógyításával azonnal új betegséget okoz. Ezután heparinnal vagy más gyógyszerekkel kell élnie, vagy meg kell várnia, amíg vérrög és embólia képződik. És itt már izgatottan várják a régi forgatókönyv szerint játékra kész amerikai ügyvédeket. Az endothelizáció problémája pedig még nem oldódott meg. Lehetséges lehetőség a csontvelői progenitor sejtek izolálása speciális preparátumokkal történő mobilizálás és a szervre való bejutás segítségével, de ez még a gyakorlattól távoli fantázia.
- A második módszer rendkívül eredeti és cinizmusával nagyon tetszetős.... Vegyük a páciens sejtjét (fibroblaszt), adunk hozzá 4 gént. A kapott sejtet a blasztocisztába (állati embrióba) helyezzük, és elkezdjük az állat növekedését. Kiderül, például egy sertés emberi hasnyálmirigy - az úgynevezett kiméra. A szerv teljesen „bennszülött”, csak a körülötte lévő teljes infrastruktúra – erek, szövetek és így tovább – a sertéstől származik. És elutasítják őket. De semmi. Vegyünk egy sertést, kivágjuk a kívánt szervet (a sertés ebben az esetben teljesen elfogy), majd speciális feldolgozás segítségével eltávolítjuk az összes sertésszövetet - kiderül, mintha egy szerv szerves csontváza lenne, felhasználható új növesztésére. Egyes kutatók tovább mentek, és a következő lafhakot javasolták: cseréljük le a malacot egy béranyára. Így kell: 4 gén mellett egy másik is bekerül a sejtbe, ami az acefáliáért (nincs fej) felelős. Egy béranyát bérelnek fel, hogy hordozza közös embrióbarátunkat. Fej nélkül fejlődik, az acephalok jól csinálják. Ezután - ultrahang, megtudja, hogy a gyermek hibás, és törvényesen engedélyezett abortusz. Ha nincs fej, nincs ember, ami azt jelenti, hogy nem öltünk meg senkit. És akkor - újra! - ma már van egy elméletileg legális bioanyagunk a beteg szerveivel. Gyorsan ültesd be őket! A nyilvánvaló mínuszok közül - nos, az erkölcsi oldalt leszámítva - a szervezeti bonyolultság és a jövőbeni esetleges jogi bonyodalmak.
- És végül van egy harmadik módszer, amelyről beszélünk.... Ez egyben a legmodernebb - a szervek háromdimenziós nyomtatása. És ezt csinálják az új laboratóriumban. A jelentés a következő: nincs szükség szervetlen állványokra (a sejtek tökéletesen tartják magukat), nem kell szervet venni valakitől. A páciens ad egy keveset a zsírszövetéből (mindenkinek van, a kísérletek során csak a sovány japánok panaszkodtak), amiből a sejtek szekvenciális feldolgozásával nyerik ki a szükséges szerkezeti elemeket. Elkészül egy szerv háromdimenziós modellje, amelyet CAD fájllá alakítanak, majd ezt átadják egy 3D nyomtatónak, amely tud a sejtjeinkkel nyomtatni, és megérti, hogy a háromdimenziós tér mely pontján kell "fektetni" egy adott sejttípus. A kimenet egy szöveti konstrukció, amelyet speciális környezetbe kell helyezni, amíg a hipoxiával kapcsolatos problémák meg nem kezdődnek. A biorekátorban a szöveti konstrukció „érik”. Ezután a szerv „átültethető” a betegbe.
- Orgonamodell beszerzése. El kell vinni valahova a diagramot. Ez elég egyértelmű.
- Maguk a sejtek megszerzése. Nyilván szükségünk van orgonanyomtató anyagra.
- A nyomtató összeszerelése, hogy a sejtek nyomtathassanak (sok probléma a szervszerkezet kialakulásával).
- Hipoxia (oxigénhiány) a szervalkotás során.
- A szerv táplálkozásának felismerése és készenléti érése.
Orgona modell
Tehát veszünk egy CAD-fájlt (most - stl formátum) egy szerv modellel. A modell beszerzésének legegyszerűbb módja, ha magáról a páciensről háromdimenziós képet készítünk, majd kézzel módosítjuk az adatokat. Jelenleg az aktuális konstrukciók az AutoCAD-ben vannak modellezve.
A szimuláció látható. A 3D-s szerkezet ugyanaz, mint egy normál alkatrészé - csak a műanyag helyett szöveti szferoidok lesznek.
Anyag
Az anyagot veszik - szöveti szferoidokat, amelyeket a lezáráshoz használnak fel. Alapként hidrogélt használnak, amely összekötő szerkezetként szolgál. Ezután a 3D nyomtató kinyomtatja a szervet ezekből a szöveti szferoidokból.
Az első tapasztalat, amely megerősítette, hogy egy egész szerv összeállítható darabokból: a tudósok egy csirke szívét darabokra vágták, és újra összeolvasztották. Sikeresen.
Most az a kérdés, hogy hol lehet ehhez az anyaghoz szükséges cellákat beszerezni. A legjobbak az emberi embrionális őssejtek, amelyekből szekvenciális differenciálással bármilyen szövethez sejtet lehet készíteni. De mint tudjuk, nem érintheti meg őket. De szedhetsz iPS-indukált pluripotens őssejteket. Készülhetnek csontvelőből, fogpépből vagy a páciens normál zsírszövetéből – és világszerte különböző cégek gyártják.
A séma a következő: az ember elmegy egy klinikára, zsírleszívást végez, a zsírszövetet lefagyasztják és tárolóba helyezik. Ha kell, kiveszik, elkészítik belőle a szükséges sejteket (ATDSC, Oroszországban van egy ilyen komplexum), majd a cél szerint differenciálják. Például fibroblasztokból lehet iPS-t készíteni, belőlük - vesehámot, majd funkcionális hámot.
Az ilyen cellák automatikus gyártására szolgáló gépeket például a General Electric gyártja.
Centrifuga. Az első szakasz az anyag elválasztása a zsírszövettől.
Ezekből a sejtekből szilárd anyagon speciális mikrohornyokban golyókat alakítanak ki. A forma mélyedésébe sejtszuszpenziót helyeznek, majd a sejteket összeolvasztják és golyót formálnak. Pontosabban nem túl egyenletes gömbölyű.
Építőelemek feldolgozása
A következő probléma az, hogy a patronban lévő sejtek alig várják, hogy együtt növekedjenek. A szöveti szferoidokat el kell különíteni egymástól, különben idő előtt elkezdenek együtt növekedni. Kapszulázni kell őket, ehhez pedig vérszérumból nyert hialuronsavat használnak. Nagyon kevés kell belőle – csak egy legvékonyabb réteg. Nyomtatás után is gyorsan "elmegy".Fóka
A 3D nyomtatófej három extruderrel rendelkezik: két gélfúvókával és egy szövetgömbadagolóval. Az első fúvókában géllel - trombinnal, a másodikban - fibrinogénnel. Mindkét gél viszonylag stabil, amíg meg nem érintik. De amikor a fibrinogén fehérjét a trombin lehasítja, fibrin monomer képződik. Ezekkel tartják össze a szöveti szferoidokat, mint a betont. A gömb átmérőjének megfelelő rétegmélységgel lehet következetesen soronként felvinni az anyagot - réteget készítettek, rögzítették, átmentek a következőre. Ekkor a fibrin a környezetben könnyen lebomlik, a perfúzió során kimosódik, és csak a szükséges szövet marad meg.
Így lesznek kinyomtatva a szívószálak
A nyomtató 250 mikrométeres rétegekben nyomtat: ez egyensúly az optimális blokkméret és a szferoid hipoxia kockázata között. Fél óra alatt ki lehet nyomtatni egy 10x10 cm-es szövetmérnöki szerkezetet - de ez még nem szerv, hanem szövetmérnöki szerkezet, szakzsargonban "takony". Ahhoz, hogy egy szerkezet szervvé váljon, élnie kell, világos formával kell rendelkeznie és funkciókat kell ellátnia.
Egy hatalmas gyújtótávolságú mikroszkóp egy üvegkockát néz 3D nyomtatóval.
Nyomtatófej. Miközben a komplexum műanyagon végzett tesztjei folynak. A nyomtató most fogyóeszközöket, műanyag formákat nyomtat, hogy gömböket hozzon létre. Ezzel párhuzamosan folynak egy 3D nyomtató steril dobozának tesztelése egy működő elektronikus eszközzel.
Utófeldolgozás
A fő kérdés az, hogy a sejteknek nem lenne rossz, ha oxigénhez és tápanyagokhoz jutnának.... Ellenkező esetben durván szólva rohadni kezdenek. Ha vékony a szerv, akkor nincs gond, de már pár millimétertől fontos. Igaz, például egy elefántnak akár 5 milliméteres porca is van – de ott vannak felszerelve, ahol nagy nyomás keletkezik az elefánt többi részének tömege miatt. Tehát, hogy a nyomtatott szerv ne romoljon el a gyártási folyamat során, mikrokeringésre van szükség. Ez valódi erek és kapillárisok kinyomtatásával, valamint szervetlen műszerekkel készített legvékonyabb perfúziós lyukak segítségével történik (nagyjából a szerkezeti blokkokat polimer "nyársra" szállítják, amit aztán eltávolítanak).
Tömítő szövet
Több sejttípus szövetkombinációja keveredés nélkül
A leendő szervet egy bioreaktorba helyezik. Ez nagymértékben leegyszerűsítve egy ellenőrzött környezetű konzervdoboz, amelyben a szerv be- és kimeneteihez jutnak a szükséges anyagok, plusz a növekedési faktorok hatására felgyorsult érlelés.
Íme, ami érdekes – egy szerv felépítése általában hasonlít egy, az OOP-ból ismert tokozott objektumhoz – egy belépési artériához, egy kilépővénához – és egy csomó funkcióhoz. A bioreaktortól elvárják, hogy a kívánt bemenetet és kimenetet biztosítsa. De ez még csak elmélet, még nem gyűjtöttek össze egyet sem. De a projektet a színpadig kidolgozták "meg lehet építeni egy prototípust".
Lóg a laboratóriumban. Az első szakasz látható: az alapelemek beszerzése, a második - egy 3D-s nyomtató három extruderrel, a harmadik - a prototípustól az ipari modellig való elmozdulás, majd az állatokon történő tesztelés, majd az IPO-ra való eljutás és az emberek számára történő telepítés.
Teljes vonal - sejtválogató, szövetszferoid gyártó, nyomtató, perfúziós gép
Piacok
Most kinek kell mindez a színpadon, miközben maguknak nincsenek szervek.Az első nagy ügyfelek a katonaság... Valójában, amint azt nem nehéz kitalálni, a DARPA felkeresi az összes, ezzel a témával foglalkozó tudóst. Két alkalmazásuk van - teszt (sok olyan dolog, ami élő embereken nem tesztelhető, de ha akarod - egy külön szerv nagyon hasznos lenne) és terápiás. Például a demokrácia harcosának letépi a kezét, és egy napba telik, amíg bemászik a kórházba. Jó lenne bezárni a lyukat, enyhíteni a fájdalmat, még 5 órát lőni neki, aztán gyalog jönni a nővérhez. Elméletileg vagy robotok lehetségesek, amelyek mindezt a helyükre gyűjtik, vagy foltok az emberi szövetekről, amelyek már komolyan gondolják, hogy égési sérüléseket helyeznek el.
Második ügyfél - Pharma... Ott a gyógyszereket 15 évig tesztelik, mielőtt piacra kerülnének. Ahogy az amerikaiak viccelődnek, könnyebb megölni egy kollégát, mint egy egeret. Az egér használatával egy csomó dokumentumot kell összegyűjtenie egy kéz vastagon. Ennek eredményeként a tanúsított egerek nagyon drágák. És az eredmények az állatoknál eltérnek az emberekétől. A lapos sejtes modelleken és állatokon meglévő tesztmodellek nem kellően revalensak. A laboratóriumban azt mondták, hogy a világon az új gyógyszerkészítmények körülbelül 7%-a nem kerül klinikai vizsgálatokba a preklinikai vizsgálati szakaszban észlelt nefrotoxicitás miatt. Az elért személyek körülbelül egyharmadának toxicitási problémái vannak. Éppen ezért az egyik első feladat a laboratóriumban készült nefronok működőképességének tesztelése. A nyomtatószövetek és -szervek drámaian felgyorsítják a gyógyszerfejlesztést, és ez nagyon sok pénz.
A harmadik ügyfél a kórházak. Vesetranszplantációs piac például az USA-ból - 25 milliárd dollár. Eleinte egyszerűen eladják a 3D nyomtatókat a kórházaknak, hogy a páciens megkaphassa, amire szüksége van. A következő (elméleti) lépés a szervek közvetlenül a páciens belsejében történő nyomtatásához szükséges komplexek létrehozása. A helyzet az, hogy gyakran sokkal könnyebb egy miniatűr nyomtatófejet bevinni a páciensbe, mint egy nagy szervet. De ez még mindig álom, bár a szükséges robotok léteznek.
Ennek így kell működnie.
Igen, van itt még egy fontos téma: ezzel párhuzamosan folynak a szöveti szferoidok mágneses levitációval történő szabályozásának kutatásai. Az első kísérletek egyszerűek voltak - vas "nano-fűrészeket" nyomtak a szövetbe, és a szferoidok valóban közvetlenül a mágneses térben repültek, és a helyszínre szállították őket. De a megkülönböztetés szenvedett. Fűrészporral nehéz elvégezni a szükséges funkciókat. A következő logikus lépés a fém a kapszulázó rétegben. De még menőbbek a mágneses részecskéket tartalmazó mikroállványok. Ezek az állványok egy gömböt foglalnak magukba, és egyben keretcsatlakozóként is szolgálhatnak, amely azonnal a helyére emelkedik, ami hatalmas teret ad a szervek operatív nyomtatására.
2012 óta lehet 3D nyomtatókkal nyomtatni az emberi mozgásszervi rendszer protéziseit és implantátumait. A műanyagból és gumiból készült csigolyák és csigolyaközi porckorongok már elég jól elsajátítottak, és fokozatosan elsajátítanak egy bonyolultabb szintet - az emberi szervek és testrészek sejtszintű nyomtatását. Az amerikai, európai és japán klinikákon, amelyek az orvostudomány tudományos kutatásában megelőzik a többieket, jelenleg őssejtekkel kísérleteznek, hogy olyan testrészeket hozzanak létre, amelyeket teljesen beültetnének az emberi szervezetbe.
Az előrehaladás mértékének jobb megértéséhez idézze az Oxford Performance Materials adatait, amelyek világszerte 450 ezer betegről és 2 milliárd dolláros befektetésről szólnak. Az őssejtek és az emberi saját sejtek felhasználása kérdéses , de pontosan az ilyen anyagok teljesen kiküszöbölik az elutasítás kockázatát ... Nem az őssejtek jelentik a 3D nyomtató egyetlen erőforrását, a tudósok már dolgoznak a műanyag rostok és az élő sejtek kombinációján, amely nélkül elképzelhetetlen az igazán összetett szervek létrehozása. Egyetértek, egy dolog kinyomtatni egy csontprotézist, és egy másik dolog a máj vagy a szív egyes részeit nyomtatni.
Egyelőre ilyen összetett szerveket nem lehet teljesen elkészíteni, de például az Egyesült Államok égési központjában már teljes egészében nyomtatott bőrt használnak transzplantációra. Világszerte mecénások és üzletemberek fektetnek be az orvosi 3D-nyomtatásba, a Grand View Research tanulmánya szerint 2020-ra a 3D-nyomtatási piac volumene több mint egymilliárd dollár lesz, maguk a nyomtatók pedig rohamosan csökkennek az árak, és ott egy kőhajításnyira van a tömeges, otthoni modellek megjelenése...
Milyen sikereket tud nekünk nyújtani jelenleg az orvostudomány?
Evezőlapát
Tavaly márciusban a sebészek az emberi koponya 75%-át műanyag protézisre cserélték. Külön csontokat, mint az állcsontokat, már korábban is „szerelték” az emberi fejbe, de ilyen pótlást még soha senki nem produkált, annál is inkább egy lépésben és 3D nyomtató segítségével.
Gerinc
Ahogy fentebb is írtuk, a csigolyák és a csigolyaközi lemezek cseréjét már majdnem elsajátították, ám a kínaiak nemrégiben új áttörést értek el, és egy 12 éves fiút gerincvelődaganatos csigolyára cseréltek. Az anyagot porózussá tették, így nem kell folyamatosan cserélni a csigolyát - egyszerűen benő az új csontszövet, és a test szerves részévé válik.
Egy fül
A bionikus fület borjúsejtekből, polimer gélből és ezüst nanorészecskékből hozták létre. Ennek eredményeként a Princeton Egyetem orvosai létrehozták a "jövő fülét", amely képes érzékelni a hétköznapi emberi fül által nem érzékelhető rádióhullámokat. A tudósok szerint jól elsajátíthatják egy ilyen fül „összeköttetését” az agy idegsejtjeivel, hogy a férfi érzékelhesse, amit hallott.
Embrió
Nem egészen élő szerv, a japán Fasotec cég mágneses rezonancia képalkotó segítségével nyomtatja ki születendő gyermekének pontos másolatát egy átlátszó kockába, amely utánozza az anya méhét. Egyszerre fantasztikusan és ijesztően néz ki, de ez az alaposan kommersz projekt eddig tetszett az orvosoknak, mert segítségével megfigyelhető lesz a magzat helyes fejlődése, gyakorlatilag a gyermek modelljét a kezükben tartva. .
Fegyver
Amikor egy asztalosműhelyben levágták jobb kezének ujjait, a dél-afrikai származású Richard Van Yees megtalálta a washingtoni Ivan Owent, aki mechanikus kezek prototípusait készítette el. Együtt megalapították a Good Enough Tech céget, kifejlesztették a Robohands-t, és elsajátították a "robo-hands" 3D nyomtatón történő nyomtatását, jelentősen csökkentve a végtermék költségeit. A Makerbot segítségével, amely nyomtatókat és nyomtatási erőforrásokat is kölcsönzött nekik, a két rajongó több mint 200 embernek segített szerte a világon.
Máj
Komplett szervet bonyolultsága miatt még nem lehetett nyomtatni, azonban a májszövetek hepatocitákból, csillagsejtekből és hámsejtekből történő nyomtatását már elsajátították. Ez a siker 2013-ra nyúlik vissza, így egy tudományos áttörés teljesen lehetséges, mielőtt a közeljövőben egy egész májat "nyomtatnánk".
Orr
Koreai orvosok és kutatók sikeresen restauráltak egy hatéves kisfiú 3D-nyomtatott műorrát. Nerha, egy mongóliai fiú orr és orrlyukak nélkül született, ami rendkívül ritka. Az orr nélkül született babák megfelelően tudnak lélegezni, és a legtöbben 12 hónapon belül meghalnak. A szöuli orvosok, ahová a fiú szülei elhozták a fiút, 3D nyomtatási technológiával létrehoztak egy légúttartó szerkezetet. Egy sor műtét során az orvosok megjavították Nerja orrát. A páciens orrlyukait saját csontszövetéből hozták létre. Most már normálisan tud lélegezni, és sokkal jobban néz ki.
Emberi szervek "nyomtatása" 3D nyomtatón
Iratkozzon fel a Qiblre a Viberen és a Telegramon, hogy lépést tarthasson a legérdekesebb eseményekkel.
Az első biológiai 3D nyomtató, amelyet kifejezetten kisüzemi, de mégis ipari termelésre terveztek, új távlatokat nyit a szervek és szövetek beültetése és helyreállítása terén. Ez az amerikai Organovo cég és az ausztrál Invetech együttműködésének az eredménye.
Ahelyett, hogy egy kívánt alakú és kívánt tulajdonságú szervet vagy szövetdarabot próbálnánk kémcsőben növeszteni, sokkal hatékonyabb, ha bioprinterrel nyomtatjuk ki – vélik az Organovo szakértői. A tinta szerepében egy ilyen eszköz a szükséges típusú (hám-, kötő-, izom-) tenyésztett sejtkészletet használja fel, és egy számítógép irányítása alatt álló precíziós nyomtatófej a megfelelő sorrendben rakja ki a sejteket (és a segédanyagokat). .
Valójában az első lenyűgöző kísérleteket ezen a területen több évvel ezelőtt hajtották végre. Számos intézet és egyetem kutatói jelenleg is dolgoznak az orgonanyomtatási technológia különféle lehetőségein. Időről időre háromdimenziós biológiai nyomatok jelennek meg, amelyek árnyalatokban különböznek a "tinta" összetételében és abban a folyamatban, hogy egy egész szövetet képeznek belőlük.
Forgács Gábor professzor és a Missouri Egyetemen működő laboratóriumának munkatársai, akik még 2007-ben fedezték fel a bionyomtatás új finomságait, különösen sikeresek voltak ezen a területen. Részletesen beszéltünk ennek a technológiának a fejlesztéséről, első nagyobb sikereiről és magáról az Organovo létrehozásáról – Forgach csak fejlesztései kereskedelmi forgalomba hozatalára alapította.
Ennek eredményeként megjelent a NovoGen technológia, amelyben a bionyomtatás minden szükséges részletét átgondolták, mind a biológiai, mind a „hardveres” részben. Az Organovo első kísérleti nyomtatóit (és "vázlatai" szerint) az nScrypt építette. De ezek voltak a csiszolási technológiához szükséges eszközök. Most jött el a bionyomtatók sorozatgyártásának ideje.
Az Organovo sajtóközleménye szerint 2009 májusában az Invetechet választotta ipari partnerének. Utóbbi több mint 30 éves tapasztalattal rendelkezik a laboratóriumi és orvosi berendezések tervezésében, beleértve az automatizált és számítógépes berendezéseket is.
December elején pedig az első NovoGen technológiát megtestesítő 3D bionyomtatót szállították az Invetechtől az Organovóhoz. Az újdonságot kompakt mérete, intuitív számítógépes felülete, magas fokú egységintegrációja és nagy megbízhatósága jellemzi.
Az új nyomtató olyan szerény méretű, hogy biztonságosan elhelyezhető egy biológiai szekrényben, hogy steril környezetet biztosítson a nyomtatás során (Organovo fotója).
Ez a nyomtató két nyomtatófejjel rendelkezik. Az egyik tele van célzott „festékekkel” (máj, vese emberi sejtjei, stromasejtek és így tovább), a második segédanyagokkal (támogató hidrogél, kollagén, növekedési faktorok).
Az ausztrál mérnökök különleges büszkesége egy lézeres kalibrációs rendszer és egy robotfej-pozicionáló rendszer, melyek pontossága mindössze néhány mikrométer. Ez nagyon fontos a sejtek megfelelő pozícióba helyezéséhez.
Előttünk a világ első soros bionyomtatója, ugyanis a közeljövőben az Invetech még több hasonló készüléket kíván szállítani az Organovo számára, és már az újdonság tudományos körben való terjesztésével is foglalkozik. Az Organovo és az Invetech 3D bionyomtatójának első mintái 2010-ben állnak majd a kutatói és egészségügyi szervezetek rendelkezésére.
Árfolyamok
