Dalla stampa 3D alla stampa 3D di organi, quanto è lontano l'essere umano dalla stampa della vita?

Dagli anni '80 ad oggi, la stampa 3D ha fatto molta strada. La stampa 3D biologica, in quanto ramo importante della stampa 3D, ha fatto grandi progressi da quando è stata proposta intorno al 2000.

Naturalmente, anche la stampa 3D biologica ha molti livelli, comprese le strutture produttive senza requisiti di biocompatibilità, come la stampa 3D di prodotti per la pianificazione del percorso chirurgico, che sono attualmente ampiamente utilizzati, la produzione di prodotti non degradabili con requisiti di biocompatibilità, come giunti in lega di titanio, protesi in silicone per la riparazione di difetti e produzione di prodotti degradabili con requisiti di biocompatibilità, come osso ceramico attivo e stent vascolari degradabili, ma la più importante e preoccupante è la stampa 3D di organi che manipolano le cellule viventi per costruire tessuti tridimensionali bionici.

A causa del desiderio umano di prolungare la vita, si può dire che la stampa di organi è stata un sogno dell'umanità per migliaia di anni e la stampa della vita è il desiderio ultimo dell'umanità. Ora, le persone stanno cercando di precipitarsi verso l'ultimo desiderio dell'umanità.

Perché ho bisogno della stampa di organi in 3D?

La realizzazione della stampa 3D biologica è strettamente correlata all'ingegneria dei tessuti e alla medicina rigenerativa. La rigenerazione dei tessuti è il fine, mentre l'ingegneria dei tessuti è il mezzo.

Tra questi, il concetto di ingegneria dei tessuti è stato proposto da Feng Yuanzhen, uno scienziato cinese americano, ed è stato determinato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti nel 1987. L'ingegneria dei tessuti si riferisce al deposito di cellule su scaffold biologici per formare complessi di materiale cellulare e quindi impiantare scaffold contenenti cellule nel corpo per indurre la formazione di tessuti o organi corrispondenti utilizzando l'ambiente in vivo, in modo da ottenere la riparazione della ferita e la ricostruzione funzionale. Il metodo convenzionale di ingegneria dei tessuti consiste nel separare la fabbricazione degli scaffold dall'adesione cellulare, ma è difficile ottenere la deposizione di diversi tipi e densità di cellule in diverse posizioni degli scaffold. La stampa 3D biologica può realizzare la manipolazione direzionale spaziale multicellulare e la deposizione controllabile di diverse densità cellulari, il che risolve semplicemente le attuali difficoltà affrontate dall'ingegneria dei tessuti.

Per molto tempo, la produzione di tessuti o organi attivi in ​​vitro è stata l'obiettivo dell'instancabile ricerca delle persone. Da un lato, c'è un enorme divario nel trapianto di organi. Finora, molti problemi medici, come l'insufficienza renale e i tumori maligni, sono ancora trattati con il trapianto di organi. Tuttavia, c'è sempre stata una carenza di donatori nel trapianto allogenico di organi. Sia a livello nazionale che internazionale, a causa dell'insufficiente donazione di organi, il tasso di successo dell'abbinamento non è elevato e i pazienti che necessitano di un trapianto di organi possono solo aspettare.

Negli Stati Uniti, secondo la rete di condivisione delle risorse d'organo (UNOS) degli Stati Uniti, un paziente muore ogni 1 ora e mezza perché non può aspettare un trapianto d'organo adeguato e più di 8 milioni di pazienti necessitano di operazioni relative alla riparazione dei tessuti ogni anno. In Cina, secondo le statistiche, circa 1,5 milioni di persone necessitano di trapianto di organi ogni anno a causa di insufficienza d'organo allo stadio terminale, ma solo circa 10000 persone possono ricevere un trattamento di trapianto di organi ogni anno e la limitata fonte di organi viventi non può soddisfare le esigenze di pazienti.

Prendendo ad esempio il trapianto di rene, ogni anno vengono trapiantati 3000 pazienti e la richiesta arriva a 300000. La maggior parte dei pazienti può solo deteriorarsi o addirittura morire in attesa di ligandi. Allo stesso tempo, il numero di pazienti che necessitano di un trapianto di organi in Cina è ancora in aumento di oltre il 10 per cento ogni anno. Inoltre, ci sono reazioni di rigetto immunitario dopo il trapianto d'organo, che richiede un trattamento immunosoppressivo a lungo termine.

In considerazione di ciò, è urgente un metodo efficace per risolvere la carenza di organi donatori e la reazione di rigetto nel trapianto di organi. L'emergere e il rapido sviluppo della tecnologia di stampa 3D biologica forniscono una soluzione nuova di zecca al problema della carenza di tessuti o organi: la stampa 3D biologica può stampare direttamente organi o tessuti viventi in vitro o in vivo utilizzando cellule viventi derivate dalle proprie cellule staminali adulte indotto e differenziato in vitro come materie prime, sostituendo così organi o tessuti con funzioni perdute.

Attualmente, la stampa 3D biologica ha ottenuto alcuni risultati nel campo del trapianto di organi ed è stata applicata alla rigenerazione e ricostruzione di pelle, ossa, vasi sanguigni artificiali, tutori vascolari, tessuti cardiaci e strutture cartilaginee.

D'altra parte, l'attuale ricerca sui meccanismi medici necessita di modelli in vitro più accurati. Le soluzioni tradizionali sono spesso basate su colture cellulari bidimensionali e esperimenti sugli animali. Tuttavia, il metodo basato sulla coltura cellulare bidimensionale è molto diverso dall'ambiente tridimensionale nel corpo reale e, in alcuni casi, possono esserci risultati contraddittori, il che rende il valore di riferimento limitato. Oltre ai molti problemi etici negli esperimenti sugli animali, la cosa più cruciale è che c'è una grande differenza tra l'ambiente interno degli animali e l'ambiente umano.

In altre parole, se le cellule umane possono essere utilizzate per ricostruire l'ambiente tridimensionale di tessuti o organi in vitro, i difetti delle soluzioni esistenti possono essere ben compensati, e la costruzione di tessuti o organi in vitro può senza dubbio essere ampiamente utilizzata nella medicina screening ed esplorazione del meccanismo della malattia.

Ciò che questo porterà alle persone è un balzo in avanti nella medicina di precisione e nella medicina personalizzata. Dopotutto, ci sono particolarità e differenze nella struttura fisica e nelle condizioni patologiche di ogni persona, specialmente per i pazienti con condizioni complesse e rare. Considerato l'alto rischio dell'intervento chirurgico, i medici possono stampare le parti patologiche del paziente in un rapporto 1:1 con l'ausilio della tecnologia di stampa 3D, in modo da eseguire pianificazione preoperatoria e trapani precisi per casi complessi, rari e difficili.

Ciò non solo può fornire ai medici dati strutturali tridimensionali accurati per la progettazione di piani chirurgici, ma anche visualizzare in anteprima l'intero processo chirurgico e migliorare la pianificazione chirurgica sotto la premessa di una maggiore intuizione e realistica, in modo da migliorare l'accuratezza della chirurgia reale e ridurre il rischio chirurgico. Inoltre, per diversi pazienti, la stampa 3D di guide chirurgiche personalizzate può ridurre efficacemente il trauma e il sanguinamento della chirurgia, ridurre notevolmente i tempi dell'operazione e migliorare la precisione della chirurgia.

Pertanto, rispetto alla tecnologia medica tradizionale, sulla base del rispetto e della padronanza delle differenze individuali, la tecnologia di stampa 3D può realizzare vere e proprie personalizzazioni personalizzate e rendere più accurati i trattamenti medici.

Il futuro è sempre più chiaro

Nel 2003, Thomas Boland della Clemson University ha realizzato con successo la stampa di cellule viventi utilizzando una stampante HP modificata (h550c) e una cartuccia di inchiostro (hp51626a), un tampone PBS contenente cellule ovariche di criceto cinese (CHO) e cellule di motoneuroni embrionali di topo come "inchiostro biologico", e agar di soia / gel di collagene come "carta biologica" e ha pubblicato il suo primo articolo sulla stampa biologica delle cellule, che è stato riportato dai media tra cui l'American Science Journal e la CNN. Nel 2004, il gruppo di ricerca ha richiesto il primo brevetto per la stampa di cellule e organi e ha ottenuto l'autorizzazione del brevetto nel 2006. Successivamente, la tecnologia è stata autorizzata a Organovo, una famosa azienda di stampa 3D biologica quotata al NASDAQ.

Da allora, anche gli organi stampati in 3D sono entrati ufficialmente nella corsia di sviluppo e hanno portato molte speranze nella medicina rigenerativa. Nel dicembre 2010, Organovo ha prodotto il primo vaso sanguigno umano biostampato utilizzando un MMX novogen. Da allora, l'azienda ha anche stampato piccoli campioni di muscolo scheletrico, ossa e tessuto epatico, impiantato con successo nervi nella colonna vertebrale e determinato un piano a lungo termine per la produzione di tessuti umani trapiantati. Inizialmente, questa stampa su richiesta si concentrava principalmente sulla riparazione del miocardio, sul trapianto di nervi o sui segmenti arteriosi, poiché questi tessuti sono relativamente piccoli e più facili da stampare e anche la possibilità di applicazione clinica è maggiore.

Nel 2012, gli scienziati scozzesi hanno utilizzato per la prima volta cellule umane per stampare tessuto epatico artificiale con una stampante 3D. Nello stesso anno, il centro medico pubblico dell'Università del Michigan ha creato una trachea artificiale attraverso la tecnologia di stampa 3D ed ha eseguito la prima operazione di trapianto umano di organi stampati in 3D al mondo. Questa è la prima volta che gli esseri umani utilizzano parti stampate in 3D per aiutare a organizzare e riorganizzarsi. È stato pubblicato sul New England Journal of medicine nel maggio 2013.

In un altro sviluppo completamente diverso nel dicembre 2012, Organovo ha annunciato di aver collaborato con Autodesk per produrre il primo software di progettazione 3D per la biostampa. Apre novogen MMX a più utenti, migliorando così la disponibilità e la funzionalità del bioprinting.

Come ha affermato Keith Murphy, presidente e CEO di Organovo, l'obiettivo a lungo termine della nuova partnership dell'azienda con Autodesk è "sforzarsi di consentire ai clienti di progettare organizzazioni 3D da soli, e quindi lasciare che Organovo sia responsabile della produzione". Proprio come gli scultori ora possono caricare un nuovo gioiello ai produttori di gioielli, possono stampare in 3D oggetti di plastica o metallo. In futuro, i medici possono anche inviare i modelli elettronici di trapianti di arterie o di organi interi a Organovo per la biostampa, e quindi Organovo esprimerà i prodotti finiti. Nel 2012, la MIT Technology Review ha classificato Organovo come una delle prime 50 aziende più innovative al mondo e nel 2010 la rivista Time ha classificato novogen MMX come una delle migliori invenzioni dell'anno.

Nel 2013, il primo impianto di teschio peek del prodotto di stampa 3D personalizzato al mondo (azienda americana OPM) è stato approvato dalla FDA. Nel febbraio dello stesso anno, i ricercatori della Cornell University negli Stati Uniti hanno pubblicato un rapporto secondo cui hanno utilizzato cellule dell'orecchio bovino per stampare orecchie artificiali in una stampante 3D, che può essere utilizzata per il trapianto di organi di bambini con malformazioni congenite.

Nel novembre 2014, Organovo ha lanciato il suo tessuto di fegato umano stampato in 3D disponibile in commercio exvive3dtm per test antidroga preclinici.

Nell'aprile 2015, Organovo ha annunciato i primi dati di tessuto renale a cellule intere biostampati in 3D al mondo alla conferenza di biologia sperimentale a Boston. L'attuale tessuto renale può sopravvivere solo per pochi giorni in normali condizioni di laboratorio, mentre il tessuto renale stampato in 3D di Organovo può durare "almeno due settimane".

In Cina, il professor Yan Yongnian della Tsinghua University ha guidato il team a condurre ricerche sulla tecnologia di stampa 3D biologica intorno al 2002. Nel 2004, ha guidato il team a completare il sistema di scrittura diretta cellulare e la stampa cellulare e ha stabilito un'ingegneria di produzione biologica avanzata a livello internazionale laboratorio, noto come "la prima persona nella stampa 3D in Cina".

Nell'agosto 2013, Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (regenovo in breve) ha collaborato con scienziati dell'Università di scienze e tecnologia elettroniche di Hangzhou e altre università per sviluppare con successo una stampante 3D in grado di stampare contemporaneamente materiali biologici e cellule viventi. Nell'ottobre 2015, genefit ha lanciato la terza generazione di workstation di stampa 3D biologica, che ha "stampato" con successo unità epatiche in lotti per lo screening dei farmaci.

Al giorno d'oggi, con il progresso e la maturità della tecnologia di bioprinting 3D, il futuro della bioprinting 3D è sempre più luminoso.

Prima degli organi di stampa 3D

Tuttavia, un futuro luminoso non significa che il processo sia regolare. Dopotutto, la stampa 3D biologica è un'industria interdisciplinare di medicina, scienze della vita, scienza dei materiali, tecnologia dell'informazione, ingegneria dei tessuti, produzione, studi clinici e così via. Le tre condizioni più importanti per la stampa di un organo vivente sono le cellule, gli scaffold e l'induzione.

La tecnologia di assemblaggio cellulare diretto si riferisce all'assemblaggio diretto di cellule o materiali di matrice cellulare nelle strutture desiderate in base a modelli di dati 3D e, infine, alla formazione di un tessuto o di un organo vivente attraverso la coltura successiva.

La tecnologia di assemblaggio cellulare indiretto si riferisce alla costruzione di un'impalcatura di coltura cellulare con biomateriali, quindi al fissaggio delle cellule alle posizioni corrispondenti dello scaffold in base alle strutture richieste attraverso modelli 3D e quindi all'induzione delle cellule a sopravvivere per essere coltivate in tessuti e organi viventi.

Tuttavia, dovremmo sapere che la struttura dell'organo stesso è molto complessa e ci sono più di una cellula in un organo. Come ottenere una disposizione complessa di più cellule e mantenere la loro crescita è ancora un problema difficile affrontato dalla stampa di organi. Prendi i vasi sanguigni come esempio. I vasi sanguigni hanno una struttura semplice, ma in realtà, oltre ad avere più strati di diverse strutture tissutali cellulari (i vasi sanguigni tipici sono composti principalmente da endotelio, muscolatura liscia e fibroblasti), la parete dei vasi sanguigni ha anche funzioni di permeabilità selettiva, elasticità della parete dei vasi sanguigni e anticoagulante, che rendono molto difficile la produzione di vasi sanguigni attivi in ​​vitro per sostituire i vasi sanguigni malati in vivo.

Inoltre, sono problemi anche come garantire che il materiale dell'impalcatura sia non tossico e adatto al corpo umano, in modo che le cellule possano crescere normalmente e come indurre la crescita cellulare, attivare l'organo stampato e sostituire completamente l'organo originale da risolvere.

Infine, l'uso di tali organi comporterà anche una serie di considerazioni sulla natura umana e sulla moralità. È ancora in costruzione un ambiente tollerante dell'opinione pubblica che consenta l'applicazione delle relative tecnologie. Questo dubbio sugli organi da stampa ha trovato piena riscontro nel breve romanzo di fantascienza "event center" di nidi okolafer.

Nel romanzo, la notizia che il presidente nigeriano Fengmi ha avuto un trapianto di cuore si è diffusa a macchia d'olio, provocando una protesta nazionale. Diversamente dalle attuali ipotesi degli scienziati, il cuore artificiale preparato dal centro eventi per il presidente non è più derivato da animali, ma si basa su tessuto vegetale, utilizzando cellule staminali autologhe e tecnologia di stampa 3D.

Anche se questa tecnologia è maturata nel romanzo, nel romanzo Yiqi, il capo chirurgo degli Stati Uniti, è ancora preoccupato per l'efficacia dell'operazione. Se i dubbi di izzi sono principalmente legati al successo o al fallimento della tecnologia stessa, il colpo di stato lanciato dal nipote del presidente sibbi ed ex generale ochchuku ha toccato un altro problema portato dalla tecnologia: ci sarà un grande cambiamento di temperamento dopo il trapianto di cuore , o anche la possibilità di essere controllato? Questa speculazione non è una congettura non provocata. Nel mondo reale, molti pazienti sottoposti a trapianto di fegato hanno cambiamenti di personalità entro un certo periodo di tempo e la radice potrebbe essere i cambiamenti regolatori endocrini causati da reazioni di rigetto.

La chiave di questa preoccupazione è: cosa sono le persone? Dovremmo fare affidamento su un insieme completo di organi originali o su un corpo e una mente in grado di pensare e agire in modo indipendente? Sebbene lo sviluppo della tecnologia difficilmente dipenda dalla volontà dell'umanità, è comunque necessario essere cauti sulla duplice natura della tecnologia. È necessario riconoscere che una serie di domande sul fatto che la tecnologia sia buona o cattiva sono spesso il percorso inevitabile nel processo di divulgazione della tecnologia, ovvero "in passato era stravagante, ora è difficile e in futuro è consuetudine». Dopotutto, quando viene creata una tecnologia, come utilizzarla al meglio è ciò a cui dobbiamo preoccuparci di più.

Gli organi stampati in 3D potrebbero averci promesso un bellissimo futuro, ma prima che arrivi il futuro, ciò che dobbiamo ancora fare è comprendere correttamente questa tecnologia e non dotarla di etica tecnica e regole d'uso - infatti, la stampa 3D biologica è ben lungi dall'essere raggiunta l'idea originale della stampa di organi e della stampa in vitro di organi viventi che possono essere utilizzati per il trapianto ha ancora molta strada da fare.

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