Från 3D-utskrift till 3D-organutskrift, hur långt är människan från att skriva ut livet?

Från 1980-talet till idag har 3D-utskrift kommit långt. Biologisk 3D-utskrift, som en viktig gren av 3D-utskrift, har gjort stora framsteg sedan det föreslogs runt 2000.

Naturligtvis har biologisk 3D-utskrift också många nivåer, inklusive tillverkningsstrukturer utan krav på biokompatibilitet, såsom 3D-utskrift av produkter för kirurgisk vägplanering, som används i stor utsträckning för närvarande, tillverkning av icke-nedbrytbara produkter med krav på biokompatibilitet, såsom titanlegeringsfogar, silikonproteser för defektreparation och tillverkning av nedbrytbara produkter med biokompatibilitetskrav, såsom aktivt keramiskt ben och nedbrytbara vaskulära stentar, Men det viktigaste och mest oroliga är 3D-utskrift av organ som manipulerar levande celler för att bygga bioniska tredimensionella vävnader.

På grund av människans önskan om livsförlängning kan man säga att organtryck har varit en dröm för mänskligheten i tusentals år, och att trycka liv är mänsklighetens ultimata önskan. Nu försöker folk rusa mot mänsklighetens ultimata önskan.

Varför behöver jag 3D-organutskrift?

Förverkligandet av biologisk 3D-utskrift är nära relaterat till vävnadsteknik och regenerativ medicin. Vävnadsregenerering är slutet, medan vävnadsteknik är medlet.

Bland dem föreslogs konceptet vävnadsteknik av Feng Yuanzhen, en kinesisk amerikansk forskare, och fastställdes av National Science Foundation i USA 1987. Vävnadsteknik avser att deponera celler på biologiska byggnadsställningar för att bilda cellmaterialkomplex, och sedan implantera cellinnehållande byggnadsställningar i kroppen för att framkalla bildandet av motsvarande vävnader eller organ genom att använda in vivo-miljön, för att uppnå sårreparation och funktionell rekonstruktion. Den konventionella metoden för vävnadsteknik är att separera tillverkningen av byggnadsställningar från cellvidhäftning, men det är svårt att uppnå avsättning av olika typer och densiteter av celler vid olika positioner av ställningar. Biologisk 3D-utskrift kan realisera rumslig riktningsmanipulation med flera celler och kontrollerbar avsättning av olika celldensiteter, vilket bara löser de nuvarande svårigheterna som vävnadsteknik står inför.

Under lång tid har tillverkning av aktiva vävnader eller organ in vitro varit målet för människors outtröttliga strävan. Å ena sidan finns det ett stort gap i organtransplantation. Än så länge behandlas många medicinska problem, såsom njursvikt och maligna tumörer, fortfarande med organtransplantation. Det har dock alltid funnits en brist på donatorer vid allogen organtransplantation. Både nationellt och internationellt, på grund av otillräcklig organdonation, är framgångsfrekvensen för matchning inte hög, och patienter som behöver organtransplantation kan bara vänta.

I USA, enligt USA:s organresursdelningsnätverk (UNOS), dör en patient var 1,5 timme eftersom han inte kan vänta på en lämplig organtransplantation, och mer än 8 miljoner patienter behöver vävnadsreparationsrelaterade operationer varje år. I Kina, enligt statistik, behöver cirka 1,5 miljoner människor organtransplantation varje år på grund av organsvikt i slutstadiet, men endast cirka 10 000 personer kan få organtransplantationsbehandling varje år, och den begränsade källan till levande organ kan inte tillgodose behoven hos patienter.

Om man tar njurtransplantation som ett exempel, transplanteras 3000 patienter varje år, och efterfrågan är så hög som 300000. De flesta patienter kan bara försämras eller till och med dö i väntan på ligander. Samtidigt ökar fortfarande antalet patienter som behöver organtransplantation i Kina med mer än 10 procent varje år. Dessutom förekommer immunavstötningsreaktioner efter organtransplantation, vilket kräver långvarig immunsuppressiv behandling.

Med tanke på detta behövs en effektiv metod för att lösa bristen på donatororgan och avstötningsreaktionen vid organtransplantation. Framväxten och den snabba utvecklingen av biologisk 3D-utskriftsteknik ger en helt ny lösning på problemet med vävnads- eller organbrist - Biologisk 3D-utskrift kan direkt skriva ut levande organ eller vävnader in vitro eller in vivo med hjälp av levande celler som härrör från deras egna vuxna stamceller inducerade och differentierade in vitro som råmaterial, och ersätter således organ eller vävnader med förlorade funktioner.

För närvarande har biologisk 3D-utskrift gjort vissa framsteg inom området organtransplantation och har tillämpats på regenerering och återuppbyggnad av hud, ben, konstgjorda blodkärl, kärlskenor, hjärtvävnader och broskstrukturer.

Å andra sidan behöver den nuvarande medicinska mekanismforskningen mer exakta in vitro-modeller. Traditionella lösningar bygger ofta på tvådimensionell cellodling och djurförsök. Metoden baserad på tvådimensionell cellodling skiljer sig dock mycket från den tredimensionella miljön i den verkliga kroppen, och i vissa fall kan det finnas motstridiga resultat, vilket gör referensvärdet begränsat. Förutom många etiska problem i djurförsök är det mest avgörande att det är stor skillnad mellan djurens inre miljö och människans miljö.

Med andra ord, om mänskliga celler kan användas för att rekonstruera den tredimensionella miljön av vävnader eller organ in vitro, kan defekterna i befintliga lösningar väl kompenseras, och konstruktionen av vävnader eller organ in vitro kan utan tvekan användas i stor utsträckning i läkemedel screening och utforskning av sjukdomsmekanismer.

Vad detta kommer att ge människor är ett steg framåt inom precisionsmedicin och personlig medicin. Det finns trots allt särdrag och skillnader i varje persons fysiska struktur och patologiska tillstånd, särskilt för patienter med komplexa och sällsynta tillstånd. Med tanke på den höga risken för operation kan läkare skriva ut patientens patologiska delar i förhållandet 1:1 med hjälp av 3D-utskriftsteknik, för att genomföra preoperativ planering och exakta övningar för komplexa, sällsynta och svåra fall.

Detta kan inte bara förse läkare med exakta tredimensionella strukturella data för utformning av kirurgiska planer, utan också förhandsgranska hela kirurgiska processen och förbättra den kirurgiska planeringen under premissen av mer intuitiv och realistisk, för att förbättra noggrannheten för verklig kirurgi och minska den kirurgiska risken. Dessutom, för olika patienter, kan 3D-utskrift personliga kirurgiska guider effektivt minska trauma och blödning vid operation, avsevärt förkorta operationstiden och förbättra operationens noggrannhet.

Jämfört med traditionell medicinsk teknik, på grundval av att respektera och bemästra individuella skillnader, kan 3D-utskriftsteknik realisera verklig personlig anpassning och göra medicinsk behandling mer exakt.

Framtiden blir allt tydligare

År 2003 realiserade Thomas Boland vid Clemson University framgångsrikt utskrift av levande celler genom att använda modifierad HP-skrivare (h550c) och bläckpatron (hp51626a), PBS-buffert innehållande kinesisk hamster ovarieceller (CHO) och musembryonala motorneuronceller som "biobläck", och sojabönagar/kollagengel som "biopapper", och publicerade sitt första papper om cellbiotryck, vilket rapporterades av media inklusive American Science Journal och CNN. 2004 ansökte forskargruppen om det första patentet för cell- och organutskrift och erhöll patenttillståndet 2006. Senare auktoriserades teknologin till Organovo, ett berömt biologiskt 3D-utskriftsföretag noterat på NASDAQ.

Sedan dess har 3D-tryckta organ också officiellt kommit in i utvecklingsbanan och gett många förhoppningar till regenerativ medicin. I december 2010 tillverkade Organovo det första bioprintade mänskliga blodkärlet med hjälp av en novogen MMX. Sedan dess har företaget också skrivit ut små prover av skelettmuskel-, ben- och levervävnad, framgångsrikt implanterat nerver i ryggraden och fastställt en långsiktig plan för att tillverka mänskliga transplanterade vävnader. Till en början fokuserade denna on-demand-utskrift främst på myokardreparation, nervtransplantation eller artärsegment, eftersom dessa vävnader är relativt små och lättare att skriva ut, och möjligheten till klinisk tillämpning är också större.

2012 använde skotska forskare mänskliga celler för att skriva ut konstgjord levervävnad med en 3D-skrivare för första gången. Samma år skapade det offentliga medicinska centret vid University of Michigan en konstgjord luftstrupe genom 3D-utskriftsteknik och genomförde världens första 3D-tryckta organtransplantation av människor. Detta är första gången som människor använder 3D-utskrivna delar för att hjälpa till att organisera och omorganisera. Den publicerades i New England Journal of medicine i maj 2013.

I en annan helt annan utveckling i december 2012 meddelade Organovo att de hade samarbetat med Autodesk för att producera den första 3D-designmjukvaran för bioprinting. Det öppnar novogen MMX för fler användare och förbättrar därmed tillgängligheten och funktionaliteten för bioprinting.

Som Keith Murphy, styrelseordförande och VD för Organovo sa, är det långsiktiga målet för företagets nya partnerskap med Autodesk att "sträva efter att göra det möjligt för kunder att själva designa 3D-organisationer och sedan låta Organovo ansvara för produktionen". Precis som skulptörer nu kan ladda upp ett nytt smycke till smyckestillverkare kan de 3D-printa ut plast- eller metallföremål. I framtiden kan läkare också skicka de elektroniska modellerna av artärtransplantationer eller hela organ till Organovo för bioprinting, och då kommer Organovo att uttrycka de färdiga produkterna tillbaka. 2012 rankade MIT Technology Review Organovo som ett av de 50 mest innovativa företagen i världen, och 2010 rankade Time magazine novogen MMX som en av årets bästa uppfinningar.

2013 godkändes världens första personliga 3D-utskriftsprodukt peek skull-implantat (amerikanskt OPM-företag) av FDA. I februari samma år publicerade forskare från Cornell University i USA en rapport om att de använt bovina öronceller för att skriva ut konstgjorda öron i en 3D-skrivare, som kan användas för organtransplantation av barn med medfödda missbildningar.

I november 2014 lanserade Organovo sin kommersiellt tillgängliga 3D-printade mänskliga levervävnad exvive3dtm för preklinisk läkemedelstestning.

I april 2015 tillkännagav Organovo världens första 3D-bioprintade helcellsnjurvävnadsdata vid konferensen Experimental Biology i Boston. Nuvarande njurvävnad kan bara överleva några dagar under normala laboratorieförhållanden, medan Organovos 3D-printade njurvävnad kan hålla "minst två veckor".

I Kina ledde professor Yan Yongnian från Tsinghua University teamet att bedriva forskning om biologisk 3D-utskriftsteknologi runt 2002. 2004 ledde han teamet för att färdigställa celldirektskrivsystemet och cellutskrift, och etablerade en internationellt avancerad biologisk tillverkningsteknik laboratorium, känt som "den första personen inom 3D-utskrift i Kina".

I augusti 2013 samarbetade Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (regenovo förkortat) med forskare från Hangzhou University of Electronic Science and technology och andra universitet för att framgångsrikt utveckla en 3D-skrivare som kan skriva ut biologiska material och levande celler samtidigt. I oktober 2015 lanserade genefit den tredje generationen av arbetsstationer för biologisk 3D-utskrift, som framgångsrikt "skrivit ut" leverenheter i omgångar för läkemedelsscreening.

Nuförtiden, med framstegen och mognad för 3D-bioprinting-teknik, är framtiden för 3D-bioprinting allt ljusare.

Innan 3D-utskriftsorgan

En ljus framtid betyder dock inte att processen är smidig. När allt kommer omkring är biologisk 3D-utskrift en tvärvetenskaplig industri av medicin, biovetenskap, materialvetenskap, informationsteknologi, vävnadsteknik, tillverkning, kliniska prövningar och så vidare. De tre viktigaste förutsättningarna för att trycka ett levande organ är celler, byggnadsställningar och induktion.

Teknik för direkt cellsammansättning avser direkt sammansättning av celler eller cellmatrismaterial till önskade strukturer enligt 3D-datamodeller, och slutligen bildande av en levande vävnad eller ett organ genom efterföljande odling.

Indirekt cellsammansättningsteknologi hänvisar till att bygga en cellodlingsställning med biomaterial, sedan fästa celler till motsvarande positioner i ställningen enligt de nödvändiga strukturerna genom 3D-modeller, och sedan inducera celler att överleva för att odlas till levande vävnader och organ.

Men vi bör veta att själva organets struktur är mycket komplex, och det finns mer än en cell i ett organ. Hur man uppnår ett komplext arrangemang av flera celler och bibehåller deras tillväxt är fortfarande ett svårt problem för organtryckning. Ta blodkärl som exempel. Blodkärlen ser enkla ut i strukturen, men i själva verket, förutom att ha flera lager av olika cellvävnadsstrukturer (typiska blodkärl består huvudsakligen av endotel, glatt muskulatur och fibroblaster), har blodkärlsväggen också funktionerna selektiv permeabilitet, elasticitet i blodkärlsväggen och antikoagulering, vilket gör det mycket svårt att tillverka aktiva blodkärl in vitro för att ersätta sjuka blodkärl in vivo.

Dessutom, hur man säkerställer att ställningsmaterialet är giftfritt och lämpligt för människokroppen, så att cellerna kan växa normalt, och hur man inducerar celltillväxt, aktiverar det tryckta organet och helt ersätter det ursprungliga organet är också problem ska lösas.

Slutligen kommer användningen av sådana organ också att medföra en rad överväganden om mänsklig natur och moral. En tolerant opinionsmiljö som tillåter tillämpning av relaterade tekniker är fortfarande under uppbyggnad. Detta tvivel om att trycka organ har återspeglas fullt ut i den korta science fiction-romanen "event center" av nidi okolafer.

I romanen spred sig nyheten att den nigerianske presidenten fengmi hade en hjärttransplantation som en löpeld, vilket orsakade ett nationellt ramaskri. Till skillnad från de nuvarande forskarnas antaganden är det konstgjorda hjärtat som evenemangscentret förbereder för presidenten inte längre härlett från djur, utan är baserat på växtvävnad, med hjälp av autologa stamceller och 3D-utskriftsteknik.

Även om denna teknik har mognat i romanen, i romanen, är Yiqi, chefskirurgen från USA, fortfarande orolig för effektiviteten av operationen. Om izzis tvivel främst är relaterade till framgången eller misslyckandet med själva tekniken, har kuppen som lanserades av presidentens brorson sibbi och tidigare general ochchuku berört ett annat problem som tekniken orsakat: kommer det att bli en stor förändring i temperamentet efter hjärttransplantation , eller till och med möjligheten att bli kontrollerad? Denna spekulation är inte en oprovocerad gissning. I den verkliga världen har många levertransplantationspatienter personlighetsförändringar inom en viss tidsperiod, och roten kan vara de endokrina regulatoriska förändringarna som orsakas av avstötningsreaktioner.

Nyckeln till denna oro är: vad är människor? Ska vi lita på en komplett uppsättning ursprungliga organ, eller en kropp och själ som kan tänka och agera självständigt? Även om teknikens utveckling knappast beror på mänsklighetens vilja, är det fortfarande nödvändigt att vara försiktig med teknikens dubbla natur. Det måste erkännas att en rad frågor om huruvida teknologi är bra eller dålig ofta är den oundvikliga vägen i processen för teknikens popularisering, det vill säga "förr var det nyckfullt, nu är det svårt och i framtiden det är brukligt". När allt kommer omkring, när en teknik skapas, är det hur vi ska kunna använda den på bästa sätt vad vi behöver bry oss om mest.

3D-printade organ kan ha lovat oss en vacker framtid, men innan framtiden kommer, vad vi fortfarande behöver göra är att korrekt förstå denna teknik och inte förse den med teknisk etik och användningsregler - i själva verket är biologisk 3D-utskrift långt ifrån att nå den ursprungliga idén med organtryck, och in vitro-tryck av levande organ som kan användas för transplantation har fortfarande en lång väg att gå.

viktig klausul