Từ in 3D đến in 3D Organ, con người còn bao xa từ việc in ấn cuộc sống?

Từ những năm 1980 đến nay, in 3D đã trải qua một chặng đường dài. In 3D sinh học, là một nhánh quan trọng của in 3D, đã có những bước phát triển vượt bậc kể từ khi nó được đề xuất vào khoảng năm 2000.

Tất nhiên, in 3D sinh học cũng có nhiều cấp độ, bao gồm các cấu trúc sản xuất không có yêu cầu tương thích sinh học, chẳng hạn như in 3D các sản phẩm để lập kế hoạch đường phẫu thuật, được sử dụng rộng rãi hiện nay, sản xuất các sản phẩm không phân hủy có yêu cầu tương thích sinh học, chẳng hạn như khớp hợp kim titan, các bộ phận giả bằng silicone để sửa chữa khiếm khuyết và sản xuất các sản phẩm có thể phân hủy với các yêu cầu về tính tương thích sinh học, chẳng hạn như xương gốm hoạt tính và stent mạch máu có thể phân hủy, Nhưng quan trọng nhất và được quan tâm nhất là in 3D các cơ quan điều khiển tế bào sống để xây dựng các mô ba chiều sinh học.

Vì mong muốn kéo dài tuổi thọ của con người, có thể nói, in nội tạng đã là ước mơ của nhân loại từ hàng nghìn năm nay, và in nội tạng là mong ước cuối cùng của nhân loại. Giờ đây, mọi người đang cố gắng lao tới ước nguyện cuối cùng của nhân loại.

Tại sao tôi cần in 3D nội tạng?

Việc thực hiện in 3D sinh học có liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật mô và y học tái tạo. Tái tạo mô là mục đích cuối cùng, trong khi kỹ thuật mô là phương tiện.

Trong số đó, khái niệm kỹ thuật mô được đề xuất bởi Feng Yuanzhen, một nhà khoa học người Mỹ gốc Hoa, và được xác định bởi Quỹ Khoa học Quốc gia của Hoa Kỳ vào năm 1987. Kỹ thuật mô đề cập đến việc lắng đọng các tế bào trên giá thể sinh học để tạo thành phức hợp vật liệu tế bào, và sau đó cấy các giàn giáo chứa tế bào vào cơ thể để tạo ra các mô hoặc cơ quan tương ứng bằng cách sử dụng môi trường in-vivo, để đạt được hiệu quả phục hồi vết thương và tái tạo chức năng. Phương pháp thông thường của kỹ thuật mô là tách việc chế tạo giàn giáo khỏi sự kết dính tế bào, nhưng rất khó để đạt được sự lắng đọng của các loại và mật độ tế bào khác nhau tại các vị trí khác nhau của giá thể. In 3D sinh học có thể thực hiện thao tác định hướng không gian đa tế bào và sự lắng đọng có thể kiểm soát của các mật độ tế bào khác nhau, điều này chỉ giải quyết những khó khăn hiện tại mà kỹ thuật mô phải đối mặt.

Từ lâu, việc sản xuất các mô hoặc cơ quan hoạt động trong ống nghiệm đã là mục tiêu theo đuổi không mệt mỏi của mọi người. Một mặt, có một khoảng trống rất lớn trong việc ghép tạng. Cho đến nay, nhiều vấn đề y tế, chẳng hạn như suy thận và các khối u ác tính, vẫn được điều trị bằng phương pháp cấy ghép nội tạng. Tuy nhiên, luôn luôn có sự thiếu hụt người hiến tặng trong cấy ghép nội tạng dị thể. Cả trong nước và quốc tế, do nguồn tạng hiến không đủ nên tỷ lệ ghép thành công không cao, người bệnh cần ghép tạng chỉ còn biết chờ đợi.

Tại Hoa Kỳ, theo mạng chia sẻ tài nguyên nội tạng Hoa Kỳ (UNOS), cứ 1,5 giờ lại có một bệnh nhân chết vì không thể chờ ghép nội tạng phù hợp và hơn 8 triệu bệnh nhân cần các hoạt động liên quan đến sửa chữa mô mỗi năm. Tại Trung Quốc, theo thống kê, hàng năm có khoảng 1,5 triệu người cần ghép tạng do suy tạng giai đoạn cuối, nhưng chỉ có khoảng 10000 người được điều trị ghép tạng mỗi năm, nguồn tạng sống hạn chế không thể đáp ứng được nhu cầu của người bệnh.

Lấy ghép thận làm ví dụ, 3000 bệnh nhân được ghép mỗi năm và nhu cầu cao tới 300000. Hầu hết bệnh nhân chỉ có thể xấu đi hoặc thậm chí tử vong trong khi chờ ghép. Đồng thời, số lượng bệnh nhân cần cấy ghép nội tạng ở Trung Quốc vẫn đang tăng hơn 10 phần trăm mỗi năm. Ngoài ra, có những phản ứng từ chối miễn dịch sau khi cấy ghép nội tạng, cần điều trị ức chế miễn dịch lâu dài.

Theo quan điểm này, cần phải có một phương pháp hiệu quả để giải quyết tình trạng thiếu tạng hiến và phản ứng đào thải trong ghép tạng. Sự xuất hiện và phát triển nhanh chóng của công nghệ in 3D sinh học cung cấp một giải pháp hoàn toàn mới cho vấn đề thiếu hụt mô hoặc cơ quan - In 3D sinh học có thể in trực tiếp các cơ quan hoặc mô sống trong ống nghiệm hoặc in vivo bằng cách sử dụng các tế bào sống có nguồn gốc từ tế bào gốc trưởng thành của chính chúng gây ra và biệt hóa in vitro như nguyên liệu thô, do đó thay thế các cơ quan hoặc mô bị mất chức năng.

Hiện nay, in 3D sinh học đã đạt được những thành tựu nhất định trong lĩnh vực ghép tạng, được ứng dụng vào việc tái tạo và tái tạo da, xương, mạch máu nhân tạo, nẹp mạch máu, mô tim và cấu trúc sụn.

Mặt khác, việc nghiên cứu cơ chế y học hiện nay cần những mô hình in vitro chính xác hơn. Các giải pháp truyền thống thường dựa trên các thí nghiệm nuôi cấy tế bào và động vật hai chiều. Tuy nhiên, phương pháp dựa trên nuôi cấy tế bào hai chiều rất khác so với môi trường ba chiều trong cơ thể thực, và trong một số trường hợp, có thể có kết quả trái ngược nhau, làm cho giá trị tham khảo bị hạn chế. Ngoài nhiều vấn đề đạo đức trong các thí nghiệm trên động vật, điều cốt yếu nhất là có sự khác biệt lớn giữa môi trường bên trong của động vật và môi trường của con người.

Nói cách khác, nếu tế bào người có thể được sử dụng để tái tạo lại môi trường ba chiều của mô hoặc cơ quan trong ống nghiệm, thì những khiếm khuyết của các dung dịch hiện có có thể được bù đắp tốt và việc xây dựng mô hoặc cơ quan trong ống nghiệm chắc chắn có thể được sử dụng rộng rãi trong y học. tầm soát và thăm dò cơ chế bệnh.

Những gì điều này sẽ mang lại cho mọi người là một bước tiến nhảy vọt trong y học chính xác và y học cá nhân hóa. Suy cho cùng, cấu tạo cơ thể và tình trạng bệnh lý của mỗi người đều có những đặc thù và khác biệt, nhất là đối với những bệnh nhân có cơ địa phức tạp và hiếm gặp. Với sự hỗ trợ của công nghệ in 3D, bác sĩ có thể in ra các bộ phận bệnh lý của bệnh nhân theo tỷ lệ 1: 1 để lập kế hoạch trước phẫu thuật và thực hiện chính xác cho các trường hợp phức tạp, hiếm gặp và khó.

Điều này không chỉ có thể cung cấp cho bác sĩ dữ liệu cấu trúc ba chiều chính xác để thiết kế kế hoạch phẫu thuật, mà còn xem trước toàn bộ quá trình phẫu thuật và cải thiện kế hoạch phẫu thuật theo tiền đề trực quan và thực tế hơn, để cải thiện độ chính xác của phẫu thuật thực và giảm rủi ro phẫu thuật. Ngoài ra, đối với các bệnh nhân khác nhau, hướng dẫn phẫu thuật được cá nhân hóa in 3D có thể làm giảm hiệu quả chấn thương và chảy máu trong phẫu thuật, rút ​​ngắn đáng kể thời gian phẫu thuật và cải thiện độ chính xác của phẫu thuật.

Do đó, so với công nghệ y học truyền thống, trên cơ sở tôn trọng và làm chủ sự khác biệt của từng cá nhân, công nghệ in 3D có thể hiện thực hóa các tùy chỉnh cá nhân hóa thực sự và giúp việc điều trị y tế chính xác hơn.

Tương lai ngày càng rõ ràng

Năm 2003, Thomas Boland của Đại học Clemson đã thực hiện thành công việc in tế bào sống bằng cách sử dụng máy in HP đã sửa đổi (h550c) và hộp mực (hp51626a), bộ đệm PBS chứa tế bào buồng trứng chuột đồng Trung Quốc (CHO) và tế bào nơ-ron vận động phôi chuột làm "mực sinh học", và thạch đậu nành / gel collagen làm "giấy sinh học", và xuất bản bài báo đầu tiên của ông về in sinh học tế bào, được các phương tiện truyền thông bao gồm Tạp chí Khoa học Mỹ và CNN đưa tin. Năm 2004, nhóm nghiên cứu đã đăng ký bằng sáng chế in tế bào và cơ quan đầu tiên, và được cấp bằng sáng chế vào năm 2006. Sau đó, công nghệ này đã được ủy quyền cho Organovo, một công ty in 3D sinh học nổi tiếng được niêm yết trên NASDAQ.

Kể từ đó, nội tạng in 3D cũng chính thức bước vào làn phát triển và mang lại nhiều hy vọng cho y học tái tạo. Vào tháng 12 năm 2010, Organovo đã sản xuất mạch máu người đầu tiên được in sinh học bằng cách sử dụng một MMX novogen. Kể từ đó, công ty cũng đã in ra các mẫu nhỏ của mô cơ xương, xương và gan, cấy ghép thành công dây thần kinh vào cột sống và xác định kế hoạch dài hạn để sản xuất mô cấy ghép cho người. Lúc đầu, việc in theo yêu cầu này chủ yếu tập trung vào việc sửa chữa cơ tim, cấy ghép dây thần kinh hoặc các đoạn động mạch, vì những mô này tương đối nhỏ và dễ in hơn, và khả năng ứng dụng lâm sàng cũng lớn hơn.

Năm 2012, các nhà khoa học Scotland lần đầu tiên sử dụng tế bào người để in mô gan nhân tạo bằng máy in 3D. Cùng năm đó, trung tâm y tế công cộng của Đại học Michigan đã tạo ra một khí quản nhân tạo thông qua công nghệ in 3D, và thực hiện ca ghép tạng người in 3D đầu tiên trên thế giới. Đây là lần đầu tiên con người sử dụng các bộ phận in 3D để giúp tổ chức và sắp xếp lại. Nó đã được xuất bản trên Tạp chí Y học New England vào tháng 5 năm 2013.

Trong một diễn biến hoàn toàn khác vào tháng 12 năm 2012, Organovo thông báo rằng họ đã hợp tác với Autodesk để sản xuất phần mềm thiết kế 3D đầu tiên cho in sinh học. Nó mở novogen MMX cho nhiều người dùng hơn, do đó cải thiện tính khả dụng và chức năng của in sinh học.

Như Keith Murphy, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành của Organovo, cho biết, mục tiêu dài hạn của quan hệ đối tác mới của công ty với Autodesk là "cố gắng cho phép khách hàng tự thiết kế các tổ chức 3D và sau đó để Organovo chịu trách nhiệm sản xuất". Cũng giống như các nhà điêu khắc hiện có thể tải một món đồ trang sức mới lên các nhà sản xuất đồ trang sức, họ có thể in 3D các đồ vật bằng nhựa hoặc kim loại. Trong tương lai, các bác sĩ cũng có thể gửi các mô hình điện tử của cấy ghép động mạch hoặc toàn bộ nội tạng đến Organovo để in sinh học, và sau đó Organovo sẽ gửi lại thành phẩm. Năm 2012, MIT Technology Review xếp Organovo là một trong 50 công ty sáng tạo nhất thế giới, và năm 2010, tạp chí Time đã xếp hạng novogen MMX là một trong những phát minh tốt nhất của năm.

Năm 2013, sản phẩm in 3D cá nhân hóa đầu tiên trên thế giới cấy ghép hộp sọ (công ty OPM của Mỹ) đã được FDA chấp thuận. Vào tháng 2 cùng năm, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cornell, Hoa Kỳ đã công bố một báo cáo rằng họ đã sử dụng tế bào tai của bò để in tai nhân tạo trong một máy in 3D, có thể dùng để cấy ghép nội tạng của trẻ em bị dị tật bẩm sinh.

Vào tháng 11 năm 2014, Organovo đã tung ra exvive3dtm mô gan người in 3D có sẵn trên thị trường để thử nghiệm thuốc tiền lâm sàng.

Vào tháng 4 năm 2015, Organovo đã công bố dữ liệu mô thận toàn bộ tế bào được in 3D sinh học đầu tiên trên thế giới tại hội nghị Sinh học Thực nghiệm ở Boston. Mô thận hiện tại chỉ có thể tồn tại vài ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm bình thường, trong khi mô thận in 3D của Organovo có thể tồn tại "ít nhất hai tuần".

Tại Trung Quốc, Giáo sư Yan Yongnian thuộc Đại học Thanh Hoa đã dẫn đầu nhóm thực hiện nghiên cứu về công nghệ in 3D sinh học vào khoảng năm 2002. Năm 2004, ông đã lãnh đạo nhóm hoàn thiện hệ thống viết trực tiếp tế bào và in tế bào, đồng thời thành lập một kỹ thuật sản xuất sinh học tiên tiến quốc tế phòng thí nghiệm, được gọi là "người đầu tiên in 3D ở Trung Quốc".

Vào tháng 8 năm 2013, Công ty TNHH Công nghệ Sinh học Hàng Châu genovo (viết tắt là regenovo) đã hợp tác với các nhà khoa học từ Đại học Khoa học Điện tử và Công nghệ Hàng Châu và các trường đại học khác để phát triển thành công một máy in 3D có thể in vật liệu sinh học và tế bào sống cùng một lúc. Vào tháng 10 năm 2015, genefit đã ra mắt thế hệ thứ ba của máy trạm in 3D sinh học, đã "in" thành công các đơn vị gan theo lô để sàng lọc thuốc.

Ngày nay, với sự tiến bộ và trưởng thành của công nghệ in sinh học 3D, tương lai của công nghệ in sinh học 3D ngày càng tươi sáng.

Trước khi in 3D nội tạng

Tuy nhiên, tương lai tươi sáng không có nghĩa là vận trình suôn sẻ. Xét cho cùng, in 3D sinh học là một ngành liên ngành của y học, khoa học đời sống, khoa học vật liệu, công nghệ thông tin, kỹ thuật mô, sản xuất, thử nghiệm lâm sàng, v.v. Ba điều kiện quan trọng nhất để in ra một cơ quan sống là tế bào, giá thể và cảm ứng.

Công nghệ lắp ráp tế bào trực tiếp đề cập đến việc lắp ráp trực tiếp các tế bào hoặc vật liệu nền tế bào thành cấu trúc mong muốn theo mô hình dữ liệu 3D, và cuối cùng tạo thành mô hoặc cơ quan sống thông qua quá trình nuôi cấy tiếp theo.

Công nghệ lắp ráp tế bào gián tiếp đề cập đến việc xây dựng một giàn nuôi cấy tế bào bằng vật liệu sinh học, sau đó gắn các tế bào vào các vị trí tương ứng của giàn theo cấu trúc yêu cầu thông qua mô hình 3D, sau đó tạo ra các tế bào sống sót để được nuôi cấy thành các mô và cơ quan sống.

Tuy nhiên, chúng ta nên biết rằng bản thân cấu trúc của cơ quan rất phức tạp, và có nhiều hơn một tế bào trong một cơ quan. Làm thế nào để đạt được sự sắp xếp phức tạp của nhiều tế bào và duy trì sự phát triển của chúng vẫn là một vấn đề khó khăn mà quá trình in nội tạng phải đối mặt. Lấy mạch máu làm ví dụ. Mạch máu trông có vẻ đơn giản về cấu tạo, nhưng trên thực tế, ngoài việc có nhiều lớp cấu trúc mô tế bào khác nhau (mạch máu điển hình chủ yếu bao gồm nội mô, cơ trơn và nguyên bào sợi), thành mạch máu còn có chức năng thấm chọn lọc, tính đàn hồi của thành mạch máu và chống đông máu, gây khó khăn cho việc sản xuất các mạch máu hoạt động trong ống nghiệm để thay thế các mạch máu bị bệnh in vivo.

Ngoài ra, làm thế nào để đảm bảo vật liệu làm giàn không độc hại và phù hợp với cơ thể người để tế bào phát triển bình thường, và làm thế nào để kích thích tế bào phát triển, kích hoạt cơ quan in và thay thế hoàn toàn cơ quan ban đầu cũng là một vấn đề nan giải. để được giải quyết.

Cuối cùng, việc sử dụng các cơ quan như vậy cũng sẽ mang lại một loạt cân nhắc về bản chất và đạo đức của con người. Một môi trường dư luận khoan dung cho phép áp dụng các công nghệ liên quan vẫn đang được xây dựng. Sự nghi ngờ này về việc In nội tạng đã được phản ánh đầy đủ trong cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng ngắn "trung tâm sự kiện" của nidi okolafer.

Trong cuốn tiểu thuyết, tin tức về việc Tổng thống Nigeria Fengmi được ghép tim lan truyền như cháy rừng, gây ra làn sóng phản đối kịch liệt trên toàn quốc. Khác với giả thiết của các nhà khoa học hiện nay, trái tim nhân tạo do trung tâm tổ chức sự kiện chuẩn bị cho tổng thống không còn có nguồn gốc từ động vật mà dựa trên mô thực vật, sử dụng tế bào gốc tự thân và công nghệ in 3D.

Mặc dù công nghệ này đã phát triển trong tiểu thuyết, nhưng trong tiểu thuyết, Yiqi, bác sĩ phẫu thuật chính từ Hoa Kỳ, vẫn lo lắng về hiệu quả của ca phẫu thuật. Nếu những nghi ngờ của izzi chủ yếu liên quan đến sự thành công hay thất bại của chính công nghệ, thì cuộc đảo chính do cháu trai của tổng thống sibbi và cựu tướng ochchuku phát động đã chạm đến một vấn đề khác do công nghệ mang lại: liệu có sự thay đổi lớn về tính khí sau khi cấy ghép tim , hoặc thậm chí khả năng bị kiểm soát? Suy đoán này không phải là một phỏng đoán vô cớ. Trong thế giới thực, nhiều bệnh nhân ghép gan có những thay đổi về tính cách trong một khoảng thời gian nhất định, và gốc rễ có thể là những thay đổi điều hòa nội tiết do phản ứng thải ghép.

Mấu chốt của nỗi lo này là: con người là gì? Chúng ta có nên dựa vào một bộ hoàn chỉnh các cơ quan ban đầu, hay một cơ thể và tâm trí có thể suy nghĩ và hành động độc lập? Mặc dù sự phát triển của công nghệ hầu như không phụ thuộc vào ý chí của con người, nhưng vẫn cần phải thận trọng về bản chất kép của công nghệ. Cần phải nhìn nhận rằng hàng loạt câu hỏi về công nghệ tốt hay xấu thường là con đường tất yếu trong quá trình phổ cập công nghệ, tức là “trước đây hay thay đổi, bây giờ thì khó, tương lai đó là phong tục". Suy cho cùng, khi một công nghệ được tạo ra, làm thế nào để tận dụng nó một cách tốt nhất là điều chúng ta cần quan tâm nhất.

Nội tạng in 3D có thể đã hứa hẹn cho chúng ta một tương lai tươi đẹp, nhưng trước khi tương lai đến, những gì chúng ta cần làm là hiểu đúng về công nghệ này chứ không phụ thuộc vào đạo đức kỹ thuật và các quy tắc sử dụng - trên thực tế, in 3D sinh học còn lâu mới đạt được Ý tưởng ban đầu về in nội tạng và in ống nghiệm các cơ quan sống có thể được sử dụng để cấy ghép vẫn còn một chặng đường dài phía trước.

điều khoản quan trọng