Обещания 3D-биопечати: Пионерская генерация несинтетических тканей, трансплантация при открытой операции на сердце и многое другое

Эта статья посвящена быстро развивающейся инновации, известной как 3D биопринтинг и как она может решить проблему нехватки органов, сделав ткани и органы доступными по требованию. Узнайте все, что Вам нужно знать о происхождении этой технологии, о технике частиц, используемых в биопринтинге, и о новейших разработках в этой области, применимых к регенеративной медицине, исследованию и разработке лекарств и трансплантации... Также рассматриваются ее будущие перспективы по преобразованию ухода за пациентами во всем мире.

Прорыв в области биопечати: 3D-печать функциональных тканей и органов

3D-биопринтинг - это относительно новая, но быстро развивающаяся технология. Она рассматривается как ключевой инструмент для регенеративной медицины, тканевой инженерии и трансплантации органов. Основанная на технологиях аддитивного производства, биопечать позволяет создавать функциональные человеческие ткани и органы путем послойного нанесения клеток и биоактивных молекул. Этот прорыв предлагает существенное решение растущего кризиса нехватки органов.
В самом продвинутом состоянии, 3D биопринтинг может произвести революцию в лечении пациентов, предоставляя индивидуальные органы для замены по требованию. В этой статье рассказывается о развитии технологии, методологии, последних достижениях и будущих направлениях исследований. В ней также рассказывается о реальных медицинских применениях в разработке лекарств, хирургии и трансплантации.

История биопечати

3D-биопринтинг был изобретен в конце 1980-х годов. Начало биопечати было положено в 1988 году, когда была доказана способность струйного принтера наносить живые клетки. Это заложило основу для создания более совершенных и сложных моделей биопринтинга.

Первый печатный орган

Первая веха была достигнута в 1999 году, когда команде доктора Энтони Атала из Университета Уэйк Форест удалось имплантировать первый искусственный орган - человеческий мочевой пузырь - с помощью микроэкструзионной биопечати. Это было полезно для того, чтобы доказать, что такие детальные структуры, как человеческие ткани и органы, могут быть построены послойно с помощью клеток, биоматериалов и факторов роста.

Последние достижения в области технологии биопечати

В следующей статье будут рассмотрены последние достижения в области технологии биопечати. За последние годы технологии биопечати очень сильно развились. Сейчас они позволяют печатать ткани размером с человека, жизнеспособные органы и модели заболеваний. Вот некоторые из наиболее интересных разработок:

Печать сердец и поджелудочных желез

В 2019 году ученые напечатали один из самых сложных органов - сердце размером с кролика с кровеносными сосудами. Отдельно команда разработала первую полностью искусственную поджелудочную железу с использованием нескольких типов клеток. Это может помочь в лечении диабета.

Индивидуальные модели

При биопечати ученый может напечатать модулированные образцы тканей, которые затем могут быть использованы для тестирования лекарств или исследования заболеваний. Одна группа попробовала на практике 3D-печать Опухоли для отслеживания развития рака. Они также сочетают биопечатные органы с микросистемами, известными как органы на чипах, которые используются для отслеживания прогрессирования заболеваний в человеческом организме.

Новые биоматериалы

Изучение новых биоматериалов позволило улучшить разрешение. В одном из исследований использовался гидрогель на основе поливинилового спирта для печати мини-печени с несколькими типами клеток. Эти новые "биоматериалы" позволят печатать сложные органы с большей точностью.

Подводя итог, можно сказать, что технология 3D-биопечати быстро прогрессирует в последние годы. Печать функциональных тканей человеческого размера и моделей заболеваний приближает обещания регенеративной медицины к реальности. Дальнейшие разработки помогут преобразовать здравоохранение.

Постоянная глобальная нехватка донорских органов

Хотя это и так, спрос на трансплантацию органов значительно превышает предложение донорских органов во всем мире. В настоящее время в США более 100 000 человек находятся в списках ожидания на получение таких органов, как почки, печень или сердце; однако стволовые клетки могут лишить их этого шанса. Каждый день 20 пациентов умирают из-за нехватки персонала в учреждениях, испытывающих острую нехватку органов.

Растущий разрыв между спросом и предложением

За последние десятилетия этот разрыв резко увеличился, в то время как возможности трансплантации органов значительно расширились. За последние 20 лет потребность в трансплантации ежегодно увеличивалась на 7%. Таким образом, несмотря на активные информационные кампании по мобилизации умерших доноров, источник органов для умерших доноров остается почти неизменным. Тем не менее, в 2021 году будет проведено всего 147 тысяч трансплантаций для удовлетворения огромного клинического спроса.

Биопечатные органы: Потенциальное решение

Ученые, понимающие проблему нехватки органов, считают, что технология 3D-биопечати может стать выходом из кризиса путем создания искусственных органов по заказу. В случае, если биопринтинг будет разработан для имплантации людям, это будет необходимо, чтобы избежать использования донорских органов и списка ожидания.

Персонализированные трансплантаты снижают уровень отторжения

Персонализированные трансплантаты также уменьшают количество случаев отторжения Ниже приводится краткое описание методов, использованных в исследовании:. Поскольку при пересадке будут печататься органы, заменяющие органы, из собственных клеток пациента, отторжения при пересадке могут уменьшиться. Это очень значительное преимущество по сравнению с традиционной трансплантацией органов, которая требует от пациента пожизненной иммуносупрессии. Также можно ожидать, что органы, изготовленные на заказ, будут дольше оставаться в организме.

Первый успешный человеческий имплантат

Впервые биопечатный орган был использован для трансплантации в 1999 году, когда доктор Энтони Атала хирургическим путем поместил в мочевой пузырь каркас, изготовленный с использованием клеток из тела пациента. Хотя точные достижения все еще ожидаются, ученые ожидают, что тканевые распечатки печени, сердца, почек и других органов можно будет надежно приживить в человеческом теле, по крайней мере, в ближайшие десять лет.

Устранение предотвратимых смертей

Если будет доказана эффективность 3D-печатных органов, это может стать решением проблемы более 20 смертей, которые ежедневно происходят в США из-за отказа органов. Производство биологических частей по требованию может сделать биопринтинг спасением для тысяч людей, которые умирают в ожидании трансплантации, но не получают необходимые им органы.

В общем, постоянная нехватка органов подчеркивает острую необходимость в регенеративных решениях. Технологии биопечати обещают изменить трансплантацию, преодолев зависимость от доноров.

Специализированные биоматериалы для сложной 3D-биопечати

Получение тканей и органов с помощью 3D-биопечати значительно облегчается при использовании оптимальных биоматериалов, обычно называемых биочернилами. Такие разработанные гидрогели должны обеспечивать выживание клеток во время процесса, а также послойное осаждение в процессе печати.

Категории биополимеров

Некоторые из известных природных полимеров - это альгинат, полимер, добываемый из морских водорослей; желатин, получаемый из коллагена; гиалуроновая кислота и сам коллаген. Среди последних обычно используются полиэтиленгликоль (PEG), полимолочная ко-гликолевая кислота (PLGA) или биоразлагаемые полиуретаны (PUs). Композитные полимеры обладают преимущественными характеристиками как био-, так и синтетических полимеров.

Вспомогательные вещества Parteck для надежного биопринтинга

Ведущий производитель вспомогательных веществ Parteck предлагает ряд биосовместимых добавок для биоинков, соответствующих требованиям GMP. Их поливиниловые спирты (PVOH), такие как MXP, демонстрируют термостабильность, позволяя печатать расплавом. Сорбитол и маннитол улучшают растворимость при комнатной температуре. Меглумин помогает решить проблемы с противоионами, уровнем pH и растворимостью.

Настраиваемые формулы

Портфолио Parteck позволяет инженерам создавать биоинки и матрицы для 3D-культур. Такие продукты, как полоксамеры, придают стабильность в условиях принтера. Карбонат кальция доказал свою эффективность для контроля пористости скаффолда после осаждения. Таким образом, их вспомогательные вещества поддерживают надежные многоступенчатые рабочие процессы аддитивного производства.

Функциональные вспомогательные вещества способствуют созданию комбинированных продуктов

С перспективой создания 3D-печатных комбинаций лекарств и устройств функциональные вспомогательные вещества играют важную роль. Повидон компании Parteck облегчает загрузку и высвобождение лекарств. По мере развития аддитивного производства для создания терапевтических средств, продукция Parteck, соответствующая требованиям GMP, и опыт в разработке рецептур будут и дальше помогать разработчикам в безопасной печати живых тканей, органов и комбинированных продуктов.

Итак, специализированные биоматериалы и вспомогательные вещества необходимы для развития области 3D-биопечати. Компании, предлагающие индивидуальные высококачественные вспомогательные вещества, помогают оптимизировать биоинки и добиться максимальной точности печати сложных живых конструкций.

Персонализированная медицина с помощью напечатанных органов

Одно из перспективных применений - биопечатные органы, изготовленные по индивидуальному заказу, в точности соответствующие анатомическим особенностям пациентов и их собственным зрелым клеткам. Такой персонализированный подход может произвести революцию в трансплантации, позволяя обойтись без иммуносупрессивных препаратов и устраняя риск отторжения. Кроме того, он лучше справляется с аномалиями, чем универсальные донорские органы.

Помощь в обучении и планировании хирургических операций

Медицинские работники используют биопечатные модели тканей в образовательных и предхирургических целях. Сложные анатомические структуры позволяют обучающимся отрабатывать процедуры с помощью реалистичных симуляторов. Хирурги могут проверять планы, практикуясь на напечатанных копиях органов, прежде чем оперировать пациентов. Это улучшает результаты.

Ускорение открытия лекарств с помощью скрининга с высокой пропускной способностью

Биопечатные человеческие ткани позволяют использовать более экономичные и быстрые методы оценки безопасности и эффективности лекарств по сравнению с традиционными испытаниями на животных. Исследователи могут напечатать несколько моделей органов и заболеваний, чтобы одновременно тестировать тысячи соединений.

Результаты, полученные с помощью органных чипов и имеющие отношение к человеку

Интегрируя печатные салфетки На микрофлюидных чипах можно воспроизвести сложные мультиорганные взаимодействия, влияющие на метаболизм лекарств. Такой подход "тело на чипе" позволяет получить данные, соответствующие потребностям человека, и выявить токсические и полезные эффекты на более ранних этапах разработки.

Снижение зависимости от животных моделей

По мере того, как биопечатные конструкции будут воспроизводить полную функциональность органов, они могут ограничить использование живых животных в некоторых исследованиях. В настоящее время исследователи полагаются на 3D-печатные модели кожи и легких для изучения моделирования заболеваний, персонализированной медицины и токсикологии. Ожидается, что дальнейшие разработки приведут к снижению спроса на животных.

Итак, 3D-биопринтинг обеспечивает тканевую инженерию и регенеративные решения в широком спектре медицинских приложений. Его потенциал в обеспечении персонализированного ухода, повышении уровня образования и ускорении исследований требует дальнейшего развития.

Реализация перспектив производства органов по требованию

Несмотря на значительный прогресс, для широкого клинического применения биопечатных органов необходимо преодолеть ряд технических проблем. Не прекращая усилий, ученые работают над тем, чтобы реализовать все перспективы этой преобразующей области.

Повышение точности печати и зрелости

Будущие исследования направлены на увеличение разрешения и укладку множества типов клеток в сложные 3D-архитектуры, имитирующие нативные органы. Разработка биоматериалов и систем "инкубации" органов может способствовать полному развитию и созреванию тканей in vitro.

Проверка функциональности в доклинических испытаниях

По мере того, как напечатанные конструкции будут становиться все более физиологичными, долгосрочные исследования на животных позволят оценить приживление, васкуляризацию, реакцию на лекарства и общую функцию органа. Успешные доклинические испытания проложат путь к первым имплантациям у человека.

Настройка биопечати для отдельных органов

Различные процессы биопечати могут оптимизировать уникальный клеточный состав и геометрию каждого органа. Сложная микроструктура почки ставит иные задачи, чем полосатые мышцы сердца, что подстегивает к поиску решений, специфичных для каждой ткани.

Производство и нормативная стандартизация

Согласование стандартов для воспроизводимого, масштабируемого биопринтинга и подтверждения безопасности/эффективности обеспечит доверие регулирующих органов для широкого клинического применения. Международные совместные усилия могут ускорить этот процесс.

При постоянном совершенствовании персонализированные 3D-биопечатные органы могут изменить трансплантацию во всем мире, решив проблему нехватки в ближайшие десятилетия. Их применение обещает улучшить уход за пациентами.

Заключение

3D-биопринтинг получил значительное развитие и представляет собой многообещающее решение глобального кризиса нехватки органов. Хотя такие проблемы, как васкуляризация и созревание тканей, остаются, технологические достижения в области инженерии строительных лесов, стволовых клеток и биологических материалов способствуют прогрессу. В ближайшие 10-15 лет персонализированные биопечатные органы могут изменить трансплантацию и регенеративную медицину, предлагая обильное снабжение тканями и органами, спасающими жизни.

Вопросы и ответы

В: Как работает 3D-биопринтинг?

3D-печать требует наслоения биочернил, а биочернила содержат живые клетки, факторы роста и различные биоматериалы. Различные методы, включая струйную печать, лазерную биопечать и системы на основе экструзии, помещают биочернила в правильное положение для создания 3D-сборки живых тканей.

В: На какие типы тканей можно наносить биопринт?

Тканевая инженерия была проведена для многих типов тканей, таких как кожа, кости, сосуды, сердце и простые органы, включая почки и печень. Ведутся исследования более сложных форм, таких как универсальный виталитический сердечный клапан, а вскоре, возможно, и целые функциональные органы в правильном контексте.

Вопрос: Когда 3D-печатные органы будут доступны для трансплантации?

Некоторые ткани уже проходят клинические испытания, хотя есть и базовые... До появления более сложных миниатюрных органов осталось 5-10 лет. Полностью разработанные трансплантируемые органы с сосудистой системой могут появиться через 10-15 лет при условии одобрения регулирующими органами и клинической проверки в исследованиях на животных и ранних стадиях на людях. Усилия по стандартизации повлияют на сроки внедрения.