پرینت سه بعدی زیستی
هر از چندگاهی اخباری در مورد اندام های چاپ شده به صورت سه بعدی منتشر می شود. در چنین مواردی ، مردم معمولاً تصور می کنند که یک ماشین می تواند از قبل اعضای بدن انسان را که به راحتی قابل کاشت هستند ، ایجاد کند. با این حال ، واقعیت دور از این تصویر خوش بینانه است.
چاپ سه بعدی مواد بیولوژیکی یک گزینه جالب برای تولید بافت ها و اندام ها برای دور زدن موارد کمبود اهدا کننده و کمبود اندام فراهم می کند. با کسری موجود در اندامهای موجود و قابل جابجایی برای پیوند ، بخش پزشکی با تقاضای روزافزون برای اندام و کمبود عرضه روبرو است. طی دهه های گذشته ، مهندسی بافت (TE) و پزشکی بازساختی همچنان به ارائه راهکارهای جایگزین برای بافت ها و اندام های مصنوعی ادامه می دهند.
چاپ زیستی سه بعدی می تواند پاسخی به کمبود اعضای بدن در سراسر جهان و افزایش بی میلی برای آزمایش محصولات آرایشی ، شیمیایی و دارویی جدید بر روی حیوانات باشد. اینکه آیا این به زودی به واقعیت تبدیل خواهد شد قطعی نیست ، اگرچه تلاش های تحقیقاتی طی سالهای گذشته به سرعت رشد کرده است. فناوری پرینت بیولوژیک بهتر و (بسیار) سریعتر می شود. با این حال ، این فناوری مبتنی بر هیدروژن هنوز چاپ زیستی ندارد ، این محتوا نیست بلکه خود فناوری چاپ است.
چاپ سه بعدی زیستی چیست؟
چاپ سه بعدی یک فناوری پیشرفته است که به معنای ایجاد بافت های زنده مانند رگ های خونی ، استخوان ها ، قلب یا پوست از طریق فناوری ساخت افزودنی چاپ سه بعدی است. چاپ سه بعدی سنتی به معنای تولید اجسام جامد سه بعدی از یک فایل دیجیتال ، با استفاده از یک فرآیند لایه بندی است. در متداول ترین نسخه آن ، یک ماده منبع ، مانند پلاستیک ، مایع شده و سپس دستگاه لایه به لایه را بر روی میز کار پرینتر سه بعدی اضافه می کند تا زمانی که یک جسم کاملاً شکل گرفته داشته باشید.
نیازی به گفتن نیست که چاپ اندامها “کمی” پیچیده تر است. در اوایل دهه 2000 محققان کشف کردند که سلولهای زنده را می توان از طریق نازل چاپگرهای جوهر افشان پاشید و به آنها آسیب نرساند. با این حال ، وجود سلول ها کافی نیست ، آنها برای زنده ماندن به یک محیط پرورش دهنده نیاز دارند: غذا ، آب و اکسیژن. امروزه ، این شرایط توسط یک میکروژل فراهم می شود – به ژلاتین غنی شده با ویتامین ها ، پروتئین ها و سایر ترکیبات زنده ماندن فکر کنید. علاوه بر این ، محققان برای ایجاد شرایط پرورش سریعترین و کارآمدترین رشد سلول ، سلولها را در اطراف بستر مناسب سه بعدی ساخته شده از پلیمرهای قابل تجزیه یا کلاژن کاشته اند تا بتوانند به یک بافت کاملاً کاربردی تبدیل شوند.
چگونه می توان یک ارگان بدن انسان را پرینت سه بعدی زیستی کرد ؟
چاپ سه بعدی ابتدا برای ساخت سریع قطعات صنعتی با استفاده از روشهای معروف به استرولیتوگرافی و مدل سازی رسوب فیوز (FDM)ساخته شد. “چاپ BIO” را به روش چاپ اضافه کنید و این یک فرایند کاملاً جدید می شود: چاپ زیستی سه بعدی.
چاپ زیستی سه بعدی برای جلوگیری از آلودگی نمونه بیو پرینت و درجه حرارت و رطوبت مناسب به شرایط استریل نیاز دارد تا سلول ها از بین نروند. همچنین ، از مواد پلاستیکی که به طور سنتی در چاپ سه بعدی استفاده می شود ، نمی توان در چاپ زیستی استفاده کرد ، زیرا به دمای بالا یا حلال های سمی احتیاج دارند. محققان در سراسر جهان در حال تولید موادی هستند که می توان در یک پرینتر سه بعدی دستکاری کرد در حالی که حداقل آسیب به سلول ها وارد می شود.
با این حال ، هر نوع سلول که بافتهای مختلف آناتومی انسان را تشکیل می دهد ، نیاز به یک محیط مکانیکی منحصر به فرد دارد. هر کدام برای عملکرد طبیعی به پشتیبانی ساختاری منحصر به فردی نیاز دارند. به عنوان مثال ، استخوان ها ماده ای مقاوم و شکننده هستند ، عضلات قلب الاستیک ، مواد سخت و اندام های داخلی مانند کبد نرم و فشرده هستند. در یک انتشار اخیر ، نشان داده شده که از مواد جدید استخراج شده از جلبک های دریایی می توان برای چاپ سه بعدی سلول های بنیادی انسان در محیط های مجزا و بدون آسیب رساندن به سلول ها استفاده کرد. دانشمندان در این حوزه باور دارند که این یافته ها راه را برای چاپ ساختارهای پیچیده بافت هموار می کند.
بیایید مثانه را مثال بزنیم ، اندام ساده تری که فقط از دو نوع سلول تشکیل شده است. در ابتدا ، محققان عضو بیمار را اسکن می کنند تا اندازه و شکل شخصی را تعیین کنند. سپس یک بستر مناسب ایجاد می کنند تا به سلول ها چیزی برای رشد در سه بعد داده شود و سلولهایی را از بیمار به این بستر اضافه کنند. این یک کار پر زحمت است و ممکن است هشت هفته طول بکشد. سرانجام ، یک راکتور زیستی محیط بهینه را برای رشد سلول ها به عضو ایجاد می کند. هنگامی که پزشکان سرانجام عضو را در بیمار قرار می دهند ، بستر و نگه دارنده ارگان قبلاً ناپدید شده یا به زودی پس از جراحی ناپدید می شود.
این توصیف نمی تواند نشان دهد که کل مراحل کار چقدر دشوار و وقت گیر است. ما حتی تا دهه ها با چاپ بیولوژیک اندامهای پیچیده که کاملاً کار می کنند فاصله داریم. با این حال ، چاپ زیستی سه بعدی در حال حاضر برای تولید بافت های مدل برای تحقیق استفاده می شود و همچنین در پزشکی احیا نیز استفاده می شود.
یک راه حل برای کمبود اعضای بدن
راه حل رفع هشدار دهنده کمبود اعضای بدن در سراسر جهان از طریق فناوری است. چاپ زیستی سه بعدی پاسخ فناوری به کمبودهای حیاتی بافت است که وظایف متخصصان پزشکی را مختل می کند و زندگی بسیاری را به خطر می اندازد. در ایالات متحده آمریکا، هر 9 دقیقه یک فرد جدید به لیست انتظار اهدا کنندگان عضو اضافه می شود. تعداد بیماران منتظر اهدا کننده عضو در 26 سال گذشته 5 برابر شده است. هر روز 17 نفر فقط به دلیل کمبود اندام موجود فقط در ایالات متحده آمریکا می میرند.
رفع شکاف ها در حوزه پرینت سه بعدی زیستی
تیمی از محققان در دانشگاه کارنگی ملون یک روش پرینت سه بعدی با نام “Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels” (FRESH) ایجاد کرده اند. پروفسور آدام فاینبرگ ، سرپرست تیم پروژه ، طی یک میزگرد در مورد اجلاس مجازی AMS در مارس 2021 ، اظهار داشت که “ما می توانیم در طی 12 سال قلب بیو پرینت شده در یک حیوان داشته باشیم” کتی ویمر ، معاون پزشکی بازسازی در سیستم های سه بعدی ، در مورد بیشتر در مورد جدول زمانی احتمالی آینده این فناوری ، گفت که این مسئله فقط “یک مشکل مهندسی” است.
در مصاحبه اخیر برای سایت Patreon ، اریک گاتنهولم ، مدیر عامل CELLINK ، همین را تخمین زده است. وی گفت ، “ما در دهه آینده یا تقریباً شاهد اندامهایی خواهیم بود که به طور کامل کار می کنند.” گاتنهلم افزود ، “دانشمندان در 5 سال گذشته قادر به چاپ مجدد قلب ، ریه ها ، کلیه ها ، پوست ، قرنیه و سایر موارد بوده اند و در حال حاضر در حال توسعه اندام های كامل هستند. از هم اکنون ، این صنعت به دلیل دموکراتیک شدن فناوری پرینت سه بعدی ، با سرعت مداوم در حال پیشرفت است. “
پیشگامان چاپ زیستی سه بعدی
مشهورترین شرکت مهندسی بافت ، شرکت مستقر در سن دیگو ، ارگانوو است. این دارو به طور فعال در حال توسعه یک خط از بافتهای انسانی برای استفاده در تحقیقات پزشکی و کشف دارو است. آنها بافتهای انسانی سه بعدی بسیار سفارشی را به عنوان مدلهای پویای زیست انسانی سالم و بیمار برای تولید دارو ایجاد می کنند و اخیراً به همراه موسسه تحقیقات کودکان مورداک در اخبار ایجاد کلیه های کوچک انسان در آزمایشگاه قرار گرفته اند.
امروزه این شرکت هنوز در مورد تأیید FDA درباره فن آوری خود که در مورد آن صحبت می شود ، فاقد است. این کار بر روی جایگزینی حیوانات در فرایندهای آزمایش ، کشف جدید دارو و مدل های بیماری های سفارشی و همچنین توالی RNA تک سلولی متمرکز است. ارگانوو در تلاش است تا پایان سال 2025 چندین پرونده IND با FDA ثبت کند.
CELLINK طی ماه های گذشته عملکرد خوبی داشته است. این شرکت هم چاپگرهای زیستی و هم مواد چاپ بیولوژیکی را برای تهیه مدل های آماده چاپ یا استفاده برای محققان و ارائه دهندگان خدمات بهداشتی و درمانی ایجاد می کند تا فرهنگ سلول های سه بعدی ، داروهای شخصی و داروهای درمانی پیشرفته را فعال کند. رویکرد آنها به کاهش بسیار زیاد دستگاههای چاپ بیولوژیک کمک کرد ، که به موسسات و سازمانهای تحقیقاتی و آموزشی بیشتری امکان خرید یکی از این دستگاهها را می دهد – و این امر ناگزیر به تحقیقات بیشتر و دستیابی به موفقیت بیشتر در صنعت منجر شد. از طریق خریدها و همکاری ها ، CELLINK در واقع به یک نیروگاه همگرایی بیولوژیک تبدیل شد.
آیا به پایان آزمایش بر روی حیوانات می رسیم ؟
چاپ بیولوژیک همچنین می تواند به حذف نیاز به آزمایش داروهای جدید بر روی حیوانات کمک کند. جایگزینی آزمایش های بالینی طولانی و گران قیمت ، که اغلب هیچ نتیجه ای ندارند ، فرصت خوبی در بازار است که به موجب آن شرکت های داروسازی می توانند میلیاردها دلار پس انداز کنند. آزمایش دارو بر روی موش ، خرگوش یا سایر حیوانات در بسیاری از موارد کارآمد نیست زیرا داروی خاص هنوز هم می تواند تأثیر متفاوتی بر روی افراد بگذارد.
از طرف دیگر ، بافت چاپ شده سه بعدی اثبات شده است كه وسیله ای موثر در آزمایش داروهای جدید است ، به این معنی كه داروها می توانند كاملاً ارزیابی شده و سریعتر به بازار عرضه شوند ، همه اینها بدون آسیب رساندن به افراد آزمایش كننده حیوانات است. علاوه بر این ، از آنجا که آزمایش لوازم آرایشی روی حیوانات همیشه حتی بیشتر از آزمایش برای اهداف پزشکی بحث برانگیز بوده است ، با ظهور چاپ سه بعدی پوست انسان ، آزمایش لوازم آرایشی روی حیوانات می تواند یک بار و برای همیشه ناپدید شود.
چالش های چاپ زیستی سه بعدی
پزشکی دوست ندارد چشم اندازهای مثبت و آینده نگرانه را از بین ببرد ، اما چاپ مجدد از نظر فنی ، مالی و نظارتی با چالش های جدی روبرو است.
دردناک ترین مسئله ، مسئله توضیع است. عدم کنترل بازار ممکن است منجر به رونق بازار سیاه شود. به محض در دسترس بودن بستر مناسب این پرینت و منبع باز بودن روش ها ، ممکن است مردم در سراسر جهان وسوسه شوند که چاپ مواد بیولوژیکی غیرقانونی و آزمایش نشده را آغاز کرده و به افراد ناامید بفروشند. FDA بخش کوتاهی در چاپ سه بعدی دارد ، اما سلولهای زنده را به صراحت پوشش نمی دهد. این برنامه ها از طریق مرکز ارزیابی و تحقیقات بیولوژیک FDA ارسال می شوند. از آنجا که FDA چاپ بیولوژیک را تنظیم نمی کند ، اما دستگاه های پزشکی و راه حل هایی که از چاپگرها بیرون می آیند ، مقررات هنوز از سرعت فناوری عقب هستند.
چاپ زیستی سه بعدی یک فناوری بیش از حد پیچیده است و بسیاری از چالش های بیولوژیکی و فناوری آن است. از این مقدمه مختصر می توان مسائل اخلاقی و نظارتی را مشاهده کرد. این امر یک شبه در عمل اعمال نخواهد شد ، اما یک واقعیت است که باید در طی یک دهه با آن کنار بیاییم.
منابع:
- www.nabr.org
- www.aniwaa.com
- www.medicalfuturist.com