Da impressão 3D à impressão de órgãos 3D, quão longe está o ser humano de imprimir a vida?

Desde a década de 1980 até hoje, a impressão 3D percorreu um longo caminho. A impressão 3D biológica, como um importante ramo da impressão 3D, fez grandes progressos desde que foi proposta por volta de 2000.

É claro que a impressão 3D biológica também tem muitos níveis, incluindo a fabricação de estruturas sem requisitos de biocompatibilidade, como a impressão 3D de produtos para planejamento de trajeto cirúrgico, que são amplamente utilizados atualmente, fabricando produtos não degradáveis ​​com requisitos de biocompatibilidade, como juntas de liga de titânio, próteses de silicone para reparo de defeitos e fabricação de produtos degradáveis ​​com requisitos de biocompatibilidade, como osso cerâmico ativo e stents vasculares degradáveis, mas o mais importante e mais preocupante é a impressão 3D de órgãos que manipulam células vivas para construir tecidos biônicos tridimensionais.

Por causa do desejo humano de prolongar a vida, pode-se dizer que a impressão de órgãos tem sido um sonho da humanidade há milhares de anos, e imprimir a vida é o desejo final da humanidade. Agora, as pessoas estão tentando correr em direção ao desejo final da humanidade.

Por que preciso de impressão de órgãos 3D?

A realização da impressão 3D biológica está intimamente relacionada à engenharia de tecidos e à medicina regenerativa. A regeneração tecidual é o fim, enquanto a engenharia tecidual é o meio.

Entre eles, o conceito de engenharia de tecidos foi proposto por Feng Yuanzhen, um cientista sino-americano, e foi determinado pela National Science Foundation dos Estados Unidos em 1987. em seguida, implantar andaimes contendo células no corpo para induzir a formação de tecidos ou órgãos correspondentes usando o ambiente in vivo, de modo a obter reparo de feridas e reconstrução funcional. O método convencional de engenharia de tecidos é separar a fabricação de scaffolds da adesão celular, mas é difícil conseguir a deposição de diferentes tipos e densidades de células em diferentes posições de scaffolds. A impressão 3D biológica pode realizar manipulação direcional espacial multicelular e deposição controlável de diferentes densidades celulares, o que apenas resolve as dificuldades atuais enfrentadas pela engenharia de tecidos.

Por muito tempo, a fabricação de tecidos ou órgãos ativos in vitro foi o objetivo da busca incansável das pessoas. Por um lado, há uma enorme lacuna no transplante de órgãos. Até agora, muitos problemas médicos, como insuficiência renal e tumores malignos, ainda são tratados por transplante de órgãos. No entanto, sempre houve escassez de doadores em transplantes de órgãos alogênicos. Tanto nacional como internacionalmente, devido à doação insuficiente de órgãos, a taxa de sucesso de compatibilidade não é alta, e os pacientes que precisam de transplante de órgãos só podem esperar.

Nos Estados Unidos, de acordo com a rede de compartilhamento de recursos de órgãos dos Estados Unidos (UNOS), um paciente morre a cada 1,5 horas porque não pode esperar por um transplante de órgão adequado, e mais de 8 milhões de pacientes precisam de cirurgias relacionadas ao reparo de tecidos todos os anos. Na China, de acordo com as estatísticas, cerca de 1,5 milhão de pessoas precisam de transplante de órgãos todos os anos devido à falência de órgãos em estágio final, mas apenas cerca de 10.000 pessoas podem receber tratamento de transplante de órgãos todos os anos, e a fonte limitada de órgãos vivos não pode atender às necessidades de pacientes.

Tomando o transplante renal como exemplo, 3.000 pacientes são transplantados a cada ano, e a demanda chega a 300.000. A maioria dos pacientes só pode piorar ou até morrer enquanto espera por ligantes. Ao mesmo tempo, o número de pacientes que precisam de transplante de órgãos na China ainda está aumentando em mais de 10% a cada ano. Além disso, há reações de rejeição imune após o transplante de órgãos, o que requer tratamento imunossupressor de longo prazo.

Diante disso, é urgentemente necessário um método eficaz para solucionar a escassez de órgãos doadores e a reação de rejeição em transplantes de órgãos. O surgimento e o rápido desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D biológica fornecem uma solução totalmente nova para o problema de escassez de tecidos ou órgãos - a impressão 3D biológica pode imprimir diretamente órgãos ou tecidos vivos in vitro ou in vivo usando células vivas derivadas de suas próprias células-tronco adultas induzidas e diferenciadas in vitro como matérias-primas, substituindo assim órgãos ou tecidos com funções perdidas.

Atualmente, a impressão 3D biológica fez algumas conquistas no campo do transplante de órgãos e foi aplicada à regeneração e reconstrução da pele, ossos, vasos sanguíneos artificiais, talas vasculares, tecidos cardíacos e estruturas de cartilagem.

Por outro lado, a pesquisa atual de mecanismos médicos precisa de modelos in vitro mais precisos. As soluções tradicionais são frequentemente baseadas em cultura de células bidimensionais e experimentos com animais. No entanto, o método baseado em cultura celular bidimensional é muito diferente do ambiente tridimensional no corpo real e, em alguns casos, pode haver resultados contraditórios, o que torna o valor de referência limitado. Além de muitos problemas éticos em experimentos com animais, o mais crucial é que existe uma grande diferença entre o ambiente interno dos animais e o ambiente humano.

Em outras palavras, se as células humanas podem ser usadas para reconstruir o ambiente tridimensional de tecidos ou órgãos in vitro, os defeitos das soluções existentes podem ser bem compensados, e a construção de tecidos ou órgãos in vitro pode, sem dúvida, ser amplamente utilizada em medicamentos. rastreamento e exploração do mecanismo da doença.

O que isso trará para as pessoas é um salto em medicina de precisão e medicina personalizada. Afinal, existem particularidades e diferenças na estrutura física e nas condições patológicas de cada pessoa, principalmente para pacientes com condições complexas e raras. Considerando o alto risco da cirurgia, os médicos podem imprimir as peças patológicas do paciente na proporção de 1:1 com o auxílio da tecnologia de impressão 3D, para realizar planejamento pré-operatório e brocas precisas para casos complexos, raros e difíceis.

Isso pode não apenas fornecer aos médicos dados estruturais tridimensionais precisos para projetar planos cirúrgicos, mas também visualizar todo o processo cirúrgico e melhorar o planejamento cirúrgico sob a premissa de mais intuitivo e realista, de modo a melhorar a precisão da cirurgia real e reduzir o risco cirúrgico. Além disso, para diferentes pacientes, guias cirúrgicos personalizados de impressão 3D podem reduzir efetivamente o trauma e o sangramento da cirurgia, encurtar bastante o tempo de operação e melhorar a precisão da cirurgia.

Portanto, em comparação com a tecnologia médica tradicional, com base no respeito e no domínio das diferenças individuais, a tecnologia de impressão 3D pode realizar uma personalização personalizada real e tornar o tratamento médico mais preciso.

O futuro está cada vez mais claro

Em 2003, Thomas Boland da Clemson University realizou com sucesso a impressão de células vivas usando impressora HP modificada (h550c) e cartucho de tinta (hp51626a), buffer PBS contendo células de ovário de hamster chinês (CHO) e células de neurônios motores embrionários de camundongo como "bio tinta", e ágar de soja / gel de colágeno como "papel bio", e publicou seu primeiro artigo sobre impressão bio celular, que foi relatado pela mídia, incluindo American Science Journal e CNN. Em 2004, o grupo de pesquisa solicitou a primeira patente de impressão de células e órgãos e obteve a autorização da patente em 2006. Mais tarde, a tecnologia foi autorizada pela Organovo, uma famosa empresa de impressão 3D biológica listada na NASDAQ.

Desde então, órgãos impressos em 3D também entraram oficialmente na pista de desenvolvimento e trouxeram muitas esperanças para a medicina regenerativa. Em dezembro de 2010, a Organovo fabricou o primeiro vaso sanguíneo humano bioimpresso usando um novogen MMX. Desde então, a empresa também imprimiu pequenas amostras de tecido muscular esquelético, ósseo e hepático, implantou com sucesso nervos na coluna e determinou um plano de longo prazo para fabricar tecidos humanos transplantados. A princípio, essa impressão sob demanda focava principalmente em reparo miocárdico, transplante de nervo ou segmentos arteriais, pois esses tecidos são relativamente pequenos e fáceis de imprimir, e a possibilidade de aplicação clínica também é maior.

Em 2012, cientistas escoceses usaram células humanas para imprimir tecido de fígado artificial com uma impressora 3D pela primeira vez. No mesmo ano, o centro médico público da Universidade de Michigan criou uma traqueia artificial por meio da tecnologia de impressão 3D e realizou a primeira operação de transplante humano de órgãos impressos em 3D do mundo. Esta é a primeira vez que os humanos usam peças impressas em 3D para ajudar a organizar e reorganizar. Foi publicado no New England Journal of Medicine em maio de 2013.

Em outro desenvolvimento completamente diferente em dezembro de 2012, a Organovo anunciou que havia cooperado com a Autodesk para produzir o primeiro software de design 3D para bioimpressão. Ele abre o novogen MMX para mais usuários, melhorando assim a disponibilidade e a funcionalidade da bioimpressão.

Como Keith Murphy, presidente e CEO da Organovo, disse, o objetivo de longo prazo da nova parceria da empresa com a Autodesk é "esforçar-se para permitir que os clientes projetem as próprias organizações 3D e depois deixar a Organovo ser responsável pela produção". Assim como os escultores agora podem enviar uma nova joia para os fabricantes de joias, eles podem imprimir em 3D objetos de plástico ou metal. No futuro, os médicos também podem enviar os modelos eletrônicos de transplantes de artérias ou órgãos inteiros para a Organovo para bioimpressão, e então a Organovo enviará os produtos acabados de volta. Em 2012, o MIT Technology Review classificou a Organovo como uma das 50 empresas mais inovadoras do mundo e, em 2010, a revista Time classificou a novogen MMX como uma das melhores invenções do ano.

Em 2013, o primeiro implante de crânio peek de produto de impressão 3D personalizado do mundo (empresa americana OPM) foi aprovado pela FDA. Em fevereiro do mesmo ano, pesquisadores da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos, publicaram um relatório de que usaram células de orelha bovina para imprimir orelhas artificiais em uma impressora 3D, que pode ser usada para transplante de órgãos de crianças com malformações congênitas.

Em novembro de 2014, a Organovo lançou seu tecido de fígado humano impresso em 3D comercialmente disponível exvive3dtm para testes pré-clínicos de drogas.

Em abril de 2015, a Organovo anunciou os primeiros dados de tecido renal de células inteiras bioimpressas em 3D do mundo na conferência de Biologia Experimental em Boston. O tecido renal atual só pode sobreviver por alguns dias em condições normais de laboratório, enquanto o tecido renal impresso em 3D da Organovo pode durar "pelo menos duas semanas".

Na China, o professor Yan Yongnian da Universidade de Tsinghua liderou a equipe para realizar pesquisas sobre tecnologia de impressão 3D biológica por volta de 2002. Em 2004, ele liderou a equipe para concluir o sistema de escrita direta de células e impressão de células e estabeleceu uma engenharia de fabricação biológica avançada internacionalmente laboratório, conhecido como "a primeira pessoa em impressão 3D na China".

Em agosto de 2013, Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (regenovo para abreviar) cooperou com cientistas da Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia de Hangzhou e outras universidades para desenvolver com sucesso uma impressora 3D que pode imprimir materiais biológicos e células vivas ao mesmo tempo. Em outubro de 2015, a genefit lançou a terceira geração de estação de trabalho de impressão 3D biológica, que "imprimiu" com sucesso unidades de fígado em lotes para triagem de medicamentos.

Atualmente, com o progresso e a maturidade da tecnologia de bioimpressão 3D, o futuro da bioimpressão 3D é cada vez mais brilhante.

Antes dos órgãos de impressão 3D

No entanto, um futuro brilhante não significa que o processo seja tranquilo. Afinal, a impressão 3D biológica é uma indústria interdisciplinar de medicina, ciências da vida, ciência dos materiais, tecnologia da informação, engenharia de tecidos, fabricação, ensaios clínicos e assim por diante. As três condições mais importantes para imprimir um órgão vivo são células, andaimes e indução.

A tecnologia de montagem direta de células refere-se à montagem direta de células ou materiais de matriz celular em estruturas desejadas de acordo com modelos de dados 3D e, finalmente, formando um tecido ou órgão vivo por meio de cultura subsequente.

A tecnologia de montagem indireta de células refere-se à construção de um andaime de cultura de células com biomateriais, anexando as células às posições correspondentes do andaime de acordo com as estruturas necessárias por meio de modelos 3D e, em seguida, induzindo as células a sobreviver para serem cultivadas em tecidos e órgãos vivos.

No entanto, devemos saber que a estrutura do próprio órgão é muito complexa, e há mais de uma célula em um órgão. Como obter arranjos complexos de múltiplas células e manter seu crescimento ainda é um problema difícil enfrentado pela impressão de órgãos. Tome os vasos sanguíneos como exemplo. Os vasos sanguíneos parecem simples na estrutura, mas na verdade, além de ter várias camadas de diferentes estruturas de tecido celular (os vasos sanguíneos típicos são compostos principalmente de endotélio, músculo liso e fibroblastos), a parede do vaso sanguíneo também tem as funções de permeabilidade seletiva, elasticidade da parede do vaso sanguíneo e anticoagulação, o que torna muito difícil fabricar vasos sanguíneos ativos in vitro para substituir vasos sanguíneos doentes in vivo.

Além disso, como garantir que o material do andaime não seja tóxico e adequado para o corpo humano, para que as células possam crescer normalmente, e como induzir o crescimento celular, ativar o órgão impresso e substituir completamente o órgão original também são problemas para ser resolvido.

Por fim, o uso de tais órgãos também trará uma série de considerações sobre a natureza e a moral humana. Ainda está em construção um ambiente de opinião pública tolerante que permita a aplicação de tecnologias relacionadas. Esta dúvida sobre os órgãos de impressão foi totalmente refletida no romance de ficção científica "centro de eventos" de nidi okolafer.

No romance, a notícia de que o presidente nigeriano Fengmi fez um transplante de coração se espalhou como fogo, causando um clamor nacional. Diferente das suposições atuais dos cientistas, o coração artificial preparado pelo centro de eventos para o presidente não é mais derivado de animais, mas é baseado em tecido vegetal, usando células-tronco autólogas e tecnologia de impressão 3D.

Embora essa tecnologia tenha amadurecido no romance, no romance, Yiqi, o cirurgião-chefe dos Estados Unidos, ainda está preocupado com a eficácia da operação. Se as dúvidas de izzi estão relacionadas principalmente ao sucesso ou fracasso da própria tecnologia, o golpe lançado pelo sobrinho do presidente sibbi e ex-general ochchuku tocou em outro problema trazido pela tecnologia: haverá uma grande mudança de temperamento após o transplante cardíaco , ou mesmo a possibilidade de ser controlado? Esta especulação não é uma conjectura não provocada. No mundo real, muitos pacientes de transplante de fígado têm mudanças de personalidade dentro de um certo período de tempo, e a raiz pode ser as mudanças regulatórias endócrinas causadas por reações de rejeição.

A chave para essa preocupação é: o que são as pessoas? Devemos confiar em um conjunto completo de órgãos originais, ou um corpo e mente que podem pensar e agir de forma independente? Embora o desenvolvimento da tecnologia dificilmente dependa da vontade da humanidade, ainda é necessário ser cauteloso quanto à natureza dual da tecnologia. É preciso reconhecer que uma série de questionamentos sobre se a tecnologia é boa ou ruim são muitas vezes o caminho inevitável no processo de popularização da tecnologia, ou seja, "no passado era caprichoso, agora é difícil e no futuro é habitual". Afinal, quando uma tecnologia é criada, como fazer o melhor uso dela é o que mais precisamos nos preocupar.

Órgãos impressos em 3D podem ter nos prometido um belo futuro, mas antes que o futuro chegue, o que ainda precisamos fazer é entender corretamente essa tecnologia e não dotá-la de ética técnica e regras de uso - na verdade, a impressão 3D biológica está longe de alcançar a ideia original de impressão de órgãos e impressão in vitro de órgãos vivos que podem ser usados ​​para transplante ainda tem um longo caminho a percorrer.

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