Dari Pencetakan 3D Hingga Pencetakan Organ 3D, Seberapa Jauh Kehidupan Manusia Dari Percetakan?

Dari tahun 1980-an hingga hari ini, pencetakan 3D telah berkembang pesat. Pencetakan 3D biologis, sebagai cabang penting dari pencetakan 3D, telah membuat kemajuan besar sejak diusulkan sekitar tahun 2000.

Tentu saja, pencetakan 3D biologis juga memiliki banyak tingkatan, termasuk struktur manufaktur tanpa persyaratan biokompatibilitas, seperti pencetakan 3D produk untuk perencanaan jalur bedah, yang banyak digunakan saat ini, pembuatan produk yang tidak dapat terurai dengan persyaratan biokompatibilitas, seperti sambungan paduan titanium, prostesis silikon untuk perbaikan cacat, dan pembuatan produk yang dapat terdegradasi dengan persyaratan biokompatibilitas, seperti tulang keramik aktif dan stent vaskular yang dapat terdegradasi, Tetapi yang paling penting dan paling diperhatikan adalah pencetakan organ 3D yang memanipulasi sel hidup untuk membangun jaringan tiga dimensi bionik.

Karena keinginan manusia untuk memperpanjang hidup, dapat dikatakan bahwa pencetakan organ telah menjadi impian umat manusia selama ribuan tahun, dan mencetak kehidupan adalah keinginan utama umat manusia. Sekarang, orang-orang mencoba untuk terburu-buru menuju keinginan utama umat manusia.

Mengapa saya membutuhkan pencetakan organ 3D?

Realisasi pencetakan 3D biologis erat kaitannya dengan rekayasa jaringan dan kedokteran regeneratif. Regenerasi jaringan adalah tujuannya, sedangkan rekayasa jaringan adalah sarananya.

Di antara mereka, konsep rekayasa jaringan diusulkan oleh Feng Yuanzhen, seorang ilmuwan Cina-Amerika, dan ditentukan oleh National Science Foundation Amerika Serikat pada tahun 1987. Rekayasa jaringan mengacu pada penyimpanan sel pada perancah biologis untuk membentuk kompleks bahan sel, dan kemudian menanamkan perancah yang mengandung sel ke dalam tubuh untuk menginduksi pembentukan jaringan atau organ yang sesuai dengan menggunakan lingkungan in-vivo, sehingga mencapai perbaikan luka dan rekonstruksi fungsional. Metode konvensional rekayasa jaringan adalah untuk memisahkan pembuatan perancah dari adhesi sel, tetapi sulit untuk mencapai pengendapan berbagai jenis dan kepadatan sel pada posisi perancah yang berbeda. Pencetakan 3D biologis dapat mewujudkan manipulasi arah spasial multi-sel dan pengendapan yang dapat dikontrol dari kepadatan sel yang berbeda, yang hanya memecahkan kesulitan saat ini yang dihadapi oleh rekayasa jaringan.

Untuk waktu yang lama, pembuatan jaringan atau organ aktif secara in vitro telah menjadi tujuan pengejaran orang yang tak kenal lelah. Di satu sisi, ada kesenjangan besar dalam transplantasi organ. Sejauh ini, banyak masalah medis, seperti gagal ginjal dan tumor ganas, masih ditangani dengan transplantasi organ. Namun, selalu ada kekurangan donor dalam transplantasi organ alogenik. Baik domestik maupun internasional, karena donasi organ yang tidak mencukupi, tingkat keberhasilan pencocokan tidak tinggi, dan pasien yang membutuhkan transplantasi organ hanya bisa menunggu.

Di Amerika Serikat, menurut jaringan berbagi sumber daya organ Amerika Serikat (UNOS), satu pasien meninggal setiap 1,5 jam karena ia tidak dapat menunggu transplantasi organ yang sesuai, dan lebih dari 8 juta pasien memerlukan operasi terkait perbaikan jaringan setiap tahun. Di Cina, menurut statistik, sekitar 1,5 juta orang membutuhkan transplantasi organ setiap tahun karena kegagalan organ stadium akhir, tetapi hanya sekitar 10.000 orang yang dapat menerima perawatan transplantasi organ setiap tahun, dan sumber organ hidup yang terbatas tidak dapat memenuhi kebutuhan pasien.

Mengambil transplantasi ginjal sebagai contoh, 3000 pasien ditransplantasikan setiap tahun, dan permintaannya mencapai 300000. Kebanyakan pasien hanya dapat memburuk atau bahkan mati sambil menunggu ligan. Pada saat yang sama, jumlah pasien yang membutuhkan transplantasi organ di China masih meningkat lebih dari 10 persen setiap tahun. Selain itu, ada reaksi penolakan kekebalan setelah transplantasi organ, yang membutuhkan pengobatan imunosupresif jangka panjang.

Oleh karena itu, diperlukan suatu metode yang efektif untuk mengatasi kekurangan organ donor dan reaksi penolakan dalam transplantasi organ. Kemunculan dan perkembangan pesat teknologi cetak 3D biologis memberikan solusi baru untuk masalah kekurangan jaringan atau organ - Pencetakan 3D biologis dapat langsung mencetak organ atau jaringan hidup secara in vitro atau in vivo menggunakan sel hidup yang berasal dari sel induk dewasa sendiri diinduksi dan dibedakan secara in vitro sebagai bahan baku, sehingga menggantikan organ atau jaringan dengan fungsi yang hilang.

Saat ini, pencetakan 3D biologis telah membuat pencapaian tertentu di bidang transplantasi organ, dan telah diterapkan pada regenerasi dan rekonstruksi kulit, tulang, pembuluh darah buatan, splint vaskular, jaringan jantung, dan struktur tulang rawan.

Di sisi lain, penelitian mekanisme medis saat ini membutuhkan model in vitro yang lebih akurat. Solusi tradisional sering didasarkan pada kultur sel dua dimensi dan eksperimen hewan. Namun, metode berdasarkan kultur sel dua dimensi sangat berbeda dari lingkungan tiga dimensi di tubuh nyata, dan dalam beberapa kasus, mungkin ada hasil yang bertentangan, yang membuat nilai referensi terbatas. Selain banyak masalah etika dalam percobaan hewan, hal yang paling penting adalah bahwa ada perbedaan besar antara lingkungan internal hewan dan lingkungan manusia.

Dengan kata lain, jika sel manusia dapat digunakan untuk merekonstruksi lingkungan tiga dimensi jaringan atau organ in vitro, cacat dari solusi yang ada dapat dikompensasi dengan baik, dan konstruksi jaringan atau organ in vitro tidak diragukan lagi dapat digunakan secara luas dalam obat. skrining dan eksplorasi mekanisme penyakit.

Apa yang akan dibawanya kepada orang-orang adalah lompatan maju dalam pengobatan presisi dan pengobatan yang dipersonalisasi. Bagaimanapun, ada kekhasan dan perbedaan dalam struktur fisik dan kondisi patologis setiap orang, terutama untuk pasien dengan kondisi kompleks dan langka. Mengingat risiko operasi yang tinggi, dokter dapat mencetak bagian patologis pasien dalam rasio 1:1 dengan bantuan teknologi pencetakan 3D, sehingga dapat melakukan perencanaan praoperasi dan latihan yang tepat untuk kasus yang kompleks, langka, dan sulit.

Ini tidak hanya dapat memberikan dokter dengan data struktural tiga dimensi yang akurat untuk merancang rencana bedah, tetapi juga melihat pratinjau seluruh proses bedah dan meningkatkan perencanaan bedah di bawah premis yang lebih intuitif dan realistis, sehingga dapat meningkatkan akurasi operasi nyata dan mengurangi risiko pembedahan. Selain itu, untuk pasien yang berbeda, panduan bedah pribadi pencetakan 3D dapat secara efektif mengurangi trauma dan pendarahan operasi, sangat mempersingkat waktu operasi dan meningkatkan akurasi operasi.

Oleh karena itu, dibandingkan dengan teknologi medis tradisional, atas dasar menghormati dan menguasai perbedaan individu, teknologi pencetakan 3D dapat mewujudkan kustomisasi pribadi yang nyata dan membuat perawatan medis lebih akurat.

Masa depan semakin jelas

Pada tahun 2003, Thomas Boland dari Clemson University berhasil merealisasikan pencetakan sel hidup dengan menggunakan printer HP yang dimodifikasi (h550c) dan kartrid tinta (hp51626a), buffer PBS yang mengandung sel ovarium hamster Cina (CHO) dan sel neuron motorik embrionik tikus sebagai "tinta bio", dan agar kedelai / gel kolagen sebagai "kertas bio", dan menerbitkan makalah pertamanya tentang pencetakan bio sel, yang dilaporkan oleh media termasuk American Science Journal dan CNN. Pada tahun 2004, kelompok riset mengajukan permohonan paten pencetakan sel dan organ pertama, dan memperoleh otorisasi paten pada tahun 2006. Kemudian, teknologi tersebut disahkan ke Organovo, perusahaan pencetakan 3D biologis terkenal yang terdaftar di NASDAQ.

Sejak itu, organ cetakan 3D juga secara resmi memasuki jalur pengembangan dan membawa banyak harapan untuk pengobatan regeneratif. Pada bulan Desember 2010, Organovo memproduksi pembuluh darah manusia bioprinted pertama menggunakan MMX novogen. Sejak itu, perusahaan juga telah mencetak sampel kecil otot rangka, tulang dan jaringan hati, berhasil menanamkan saraf di tulang belakang, dan menentukan rencana jangka panjang untuk memproduksi jaringan transplantasi manusia. Pada awalnya, pencetakan berdasarkan permintaan ini terutama berfokus pada perbaikan miokard, transplantasi saraf atau segmen arteri, karena jaringan ini relatif kecil dan lebih mudah untuk dicetak, dan kemungkinan aplikasi klinis juga lebih besar.

Pada tahun 2012, ilmuwan Skotlandia menggunakan sel manusia untuk mencetak jaringan hati buatan dengan printer 3D untuk pertama kalinya. Pada tahun yang sama, pusat medis umum Universitas Michigan menciptakan trakea buatan melalui teknologi pencetakan 3D, dan melakukan operasi transplantasi organ manusia cetak 3D pertama di dunia. Ini adalah pertama kalinya manusia menggunakan bagian cetakan 3D untuk membantu mengatur dan menata ulang. Itu diterbitkan di New England Journal of Medicine pada Mei 2013.

Dalam perkembangan lain yang sama sekali berbeda pada bulan Desember 2012, Organovo mengumumkan bahwa mereka telah bekerja sama dengan Autodesk untuk memproduksi perangkat lunak desain 3D pertama untuk bioprinting. Ini membuka novogen MMX untuk lebih banyak pengguna, sehingga meningkatkan ketersediaan dan fungsionalitas bioprinting.

Seperti yang dikatakan Keith Murphy, ketua dan CEO Organovo, tujuan jangka panjang dari kemitraan baru perusahaan dengan Autodesk adalah untuk "berusaha untuk memungkinkan pelanggan merancang organisasi 3D sendiri, dan kemudian membiarkan Organovo bertanggung jawab atas produksi". Sama seperti pematung sekarang dapat mengunggah perhiasan baru ke produsen perhiasan, mereka dapat mencetak objek plastik atau logam secara 3D. Di masa depan, dokter juga dapat mengirim model elektronik transplantasi arteri atau seluruh organ ke Organovo untuk bioprinting, dan kemudian Organovo akan mengekspresikan produk jadinya kembali. Pada tahun 2012, MIT Technology Review menempatkan Organovo sebagai salah satu dari 50 perusahaan paling inovatif di dunia, dan pada tahun 2010, majalah Time menempatkan novogen MMX sebagai salah satu penemuan terbaik tahun ini.

Pada tahun 2013, produk pencetakan 3D pribadi pertama di dunia implan tengkorak (perusahaan OPM Amerika) telah disetujui oleh FDA. Pada bulan Februari tahun yang sama, para peneliti dari Cornell University di Amerika Serikat menerbitkan laporan bahwa mereka menggunakan sel telinga sapi untuk mencetak telinga buatan dalam printer 3D, yang dapat digunakan untuk transplantasi organ anak-anak dengan kelainan bawaan.

Pada November 2014, Organovo meluncurkan exvive3dtm jaringan hati manusia cetak 3D yang tersedia secara komersial untuk pengujian obat praklinis.

Pada bulan April 2015, Organovo mengumumkan data jaringan ginjal sel utuh bioprinted 3D pertama di dunia pada konferensi Biologi Eksperimental di Boston. Jaringan ginjal saat ini hanya dapat bertahan selama beberapa hari dalam kondisi laboratorium normal, sedangkan jaringan ginjal cetak 3D Organovo dapat bertahan "setidaknya dua minggu".

Di Cina, Profesor Yan Yongnian dari Universitas Tsinghua memimpin tim untuk melakukan penelitian tentang teknologi pencetakan 3D biologis sekitar tahun 2002. Pada tahun 2004, ia memimpin tim untuk menyelesaikan sistem penulisan langsung sel dan pencetakan sel, dan mendirikan rekayasa manufaktur biologi yang maju secara internasional. laboratorium, yang dikenal sebagai "orang pertama dalam pencetakan 3D di Cina".

Pada bulan Agustus 2013, Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (disingkat regenovo) bekerja sama dengan para ilmuwan dari Universitas Sains dan Teknologi Elektronik Hangzhou dan universitas lain untuk berhasil mengembangkan printer 3D yang dapat mencetak bahan biologis dan sel hidup secara bersamaan. Pada Oktober 2015, genefit meluncurkan stasiun kerja pencetakan 3D biologis generasi ketiga, yang berhasil "mencetak" unit hati dalam batch untuk skrining obat.

Saat ini, dengan kemajuan dan kematangan teknologi bioprinting 3D, masa depan bioprinting 3D semakin cerah.

Sebelum organ pencetakan 3D

Namun, masa depan yang cerah bukan berarti prosesnya mulus. Bagaimanapun, pencetakan 3D biologis adalah industri interdisipliner kedokteran, ilmu kehidupan, ilmu material, teknologi informasi, teknik jaringan, manufaktur, uji klinis, dan sebagainya. Tiga kondisi terpenting untuk mencetak organ hidup adalah sel, perancah, dan induksi.

Teknologi perakitan sel langsung mengacu pada perakitan langsung sel atau bahan matriks sel ke dalam struktur yang diinginkan sesuai dengan model data 3D, dan akhirnya membentuk jaringan atau organ hidup melalui kultur berikutnya.

Teknologi perakitan sel tidak langsung mengacu pada pembangunan perancah kultur sel dengan biomaterial, kemudian menempelkan sel ke posisi perancah yang sesuai sesuai dengan struktur yang diperlukan melalui model 3D, dan kemudian mendorong sel untuk bertahan hidup untuk dikultur ke dalam jaringan dan organ hidup.

Namun, kita harus tahu bahwa struktur organ itu sendiri sangat kompleks, dan ada lebih dari satu sel dalam satu organ. Bagaimana mencapai susunan kompleks dari banyak sel dan mempertahankan pertumbuhannya masih merupakan masalah sulit yang dihadapi oleh pencetakan organ. Ambil pembuluh darah sebagai contoh. Pembuluh darah terlihat sederhana dalam struktur, tetapi pada kenyataannya, selain memiliki beberapa lapisan struktur jaringan sel yang berbeda (pembuluh darah khas terutama terdiri dari endotelium, otot polos dan fibroblas), dinding pembuluh darah juga memiliki fungsi permeabilitas selektif, elastisitas dinding pembuluh darah dan antikoagulasi, yang membuat sangat sulit untuk memproduksi pembuluh darah aktif secara in vitro untuk menggantikan pembuluh darah yang sakit secara in vivo.

Selain itu, bagaimana memastikan bahwa bahan perancah tidak beracun dan cocok untuk tubuh manusia, sehingga sel dapat tumbuh secara normal, dan bagaimana menginduksi pertumbuhan sel, mengaktifkan organ yang dicetak dan sepenuhnya menggantikan organ asli juga menjadi masalah. untuk dipecahkan.

Akhirnya, penggunaan organ tersebut juga akan membawa serangkaian pertimbangan tentang sifat dan moralitas manusia. Lingkungan opini publik yang toleran yang memungkinkan penerapan teknologi terkait masih dalam tahap pembangunan. Keraguan tentang organ pencetakan ini telah sepenuhnya tercermin dalam novel fiksi ilmiah pendek "pusat acara" oleh nidi okolafer.

Dalam novel tersebut, berita bahwa Presiden Nigeria fengmi menjalani transplantasi jantung menyebar seperti api, menyebabkan kemarahan nasional. Berbeda dengan anggapan para ilmuwan saat ini, jantung buatan yang disiapkan oleh pusat acara kepresidenan tersebut tidak lagi berasal dari hewan, melainkan berbasis jaringan tumbuhan, menggunakan sel punca autologus dan teknologi 3D printing.

Meskipun teknologi ini telah matang dalam novel, dalam novel, Yiqi, kepala ahli bedah dari Amerika Serikat, masih khawatir tentang efektivitas operasi. Jika keraguan Izzi terutama terkait dengan keberhasilan atau kegagalan teknologi itu sendiri, kudeta yang dilakukan oleh keponakan presiden sibbi dan mantan jenderal ochchuku telah menyentuh masalah lain yang dibawa oleh teknologi: apakah akan ada perubahan besar dalam temperamen setelah transplantasi jantung? , atau bahkan kemungkinan dikendalikan? Spekulasi ini bukanlah dugaan yang tidak beralasan. Di dunia nyata, banyak pasien transplantasi hati yang mengalami perubahan kepribadian dalam jangka waktu tertentu, dan akarnya mungkin adalah perubahan regulasi endokrin yang disebabkan oleh reaksi penolakan.

Kunci dari kekhawatiran ini adalah: apakah manusia itu? Haruskah kita mengandalkan satu set lengkap organ asli, atau tubuh dan pikiran yang dapat berpikir dan bertindak secara mandiri? Meskipun perkembangan teknologi hampir tidak tergantung pada kehendak manusia, namun tetap perlu diwaspadai sifat ganda teknologi. Perlu diakui bahwa sederet pertanyaan tentang baik atau buruknya teknologi seringkali menjadi jalan tak terelakkan dalam proses mempopulerkan teknologi, yaitu, “dulu aneh-aneh, sekarang susah, dan ke depan. sudah menjadi kebiasaan". Lagi pula, ketika sebuah teknologi dibuat, bagaimana memanfaatkannya dengan sebaik-baiknya adalah yang paling perlu kita pedulikan.

Organ cetakan 3D mungkin menjanjikan masa depan yang indah bagi kita, tetapi sebelum masa depan datang, yang masih perlu kita lakukan adalah memahami teknologi ini dengan benar dan tidak memberinya etika teknis dan aturan penggunaan - kenyataannya, pencetakan 3D biologis masih jauh dari jangkauan. ide orisinal pencetakan organ, dan pencetakan in vitro organ hidup yang dapat digunakan untuk transplantasi masih memiliki jalan panjang.

klausa penting