Биопечати — это биомедицинское применение процессов присадки для производства искусственных биологических тканей. Биологическую печать можно определить как пространственное структурирование живых клеток и других биологических продуктов путем их укладки и сборки с использованием поэтапного метода осаждения с помощью компьютера для создания живых тканей и органов для тканевой инженерии, регенеративной медицины, фармакокинетики и других как правило, исследование биологии. Это недавнее новшество, которое одновременно позиционирует живые клетки и многослойные биоматериалы для создания живой ткани. Основным применением печатных органов является трансплантация. В настоящее время проводятся исследования искусственных структур сердца, почек, печени и других жизненно важных органов. Для более сложных органов, таких как сердце, были исследованы небольшие конструкции, такие как клапаны сердца. Некоторые печатные органы уже достигли клинической реализации, но в основном включают полые структуры, такие как мочевой пузырь, а также сосудистые структуры.
история
В 1938 году Алексис Каррелл, Нобелевская премия по медицине и Чарльз Линдберг, авиационный пионер и страстный изобретатель, предложили вырастить органы. И мы должны ждать появления регенеративной медицины, которая стремится заменить поврежденные клетки человеческого тела здоровыми органами, чтобы увидеть первые трансплантаты. Тем не менее, риск отказа пациента является важным и требует мер предосторожности со стороны медицинской профессии.
Это 21-й век, что технология биопечати. Он позволяет производить изготовление тканей или органов с помощью клеток пациента, что сводит к минимуму риск отторжения. Он состоит из сборки составляющих биологических тканей (клеток), предопределенных цифровым дизайном. Цель состоит в том, чтобы попытаться воспроизвести трехмерную организацию клеток, как это, естественно, сделано человеческим телом. Эта технология использует поэтапный принцип трехмерной печати. Биопечати определяется как разрушающая технология, потому что это результат группировки знаний в физике, биологии, механизме и компьютере. Сегодня заявки ограничены из-за недавнего открытия этой технологии, но в долгосрочной перспективе ожидаемые приложения много и новаторски.
Трехмерная органная печать была впервые использована в 2003 году Томасом Боландом из Университета Клемсона, который запатентовал использование струйной печати для ячеек. В методе использовалась модифицированная система для осаждения клеток в трехмерных матрицах, размещенных на подложке.
Начиная с первых экспериментов Боланда, появилась трехмерная печать биологических структур, также известная как биопреследование. Были разработаны новые методы печати, например, экструзионная печать.
Печатание органов быстро рассматривалось как потенциальное решение глобальной нехватки органов для трансплантации. Печатные органы уже успешно пересажены. В частности, такие ткани, как кожа, сосудистая ткань, такие как кровеносные сосуды или полые органы, такие как мочевой пузырь. Искусственные органы чаще всего производятся из собственных клеток реципиента, что устраняет проблемы, связанные с риском отторжения.
Печать более сложных органов является предметом интенсивных исследований во всем мире. Например, для сердца, поджелудочной железы, печени или почек. Начиная с 2017 года, это исследование еще не привело к трансплантации.
функциональность
Биопринтер работает аналогично 3D-принтеру на основе процесса FDM. Экструдер создает формы из ткани, в этом случае нет термопластиков, таких как ABS, а полимерный гель, для. B. на альгинатном основании, с инкапсулированными живыми клетками. Organovos Bioprinter капель капель с использованием другой перспективной технологии, каждая из которых содержит от 10 000 до 30000 отдельных клеток. Позднее они стимулируются подходящими факторами роста даже в функциональных тканевых структурах.
Bioprinters имеют специальные компоненты, такие как регулирование температуры, что очень важно для правильной печати.
Медицинское использование
В медицинских целях биопринтеры (в экспериментальной области) известны с 2000 года. Даже сегодня экспериментально невозможно напечатать органы, состоящие из нескольких типов тканей. Исследование, как правило, больше направлено на создание относительно грубых клеточных агрегатов в процессе печати, которые затем «созревают» в органы посредством биологической самосборки. Основной проблемой является, например, создание функционирующей системы кровеносных сосудов.
Однако представляется вполне возможным, что биопринтеры или органы, созданные с ними, могут когда-нибудь заменить донорские органы. Преимуществом органов биопринтера является точная настройка на предполагаемое тело. Для донорских органов необходимо подождать, пока не будет доступен орган, который подходит как можно лучше. Однако донорский орган вообще доступен, как правило, маловероятен. «Время давления» искусственного органа, продолжающегося несколько часов, может стать барьером при острых травмах. Трансплантаты, которые печатаются с помощью обычного 3D-принтера и изготовлены из металла или пластика, не считаются биопреобразованием, потому что не используются клетки. Меньшие фрагменты кости или зубные протезы из фосфата кальция уже производятся в процессе 3D-печати. Тем не менее, принято использовать материал специально разведенного крупного рогатого скота для костей.
Синтетическая биология
В синтетической биологии биопринтеры могут использоваться для печати новых форм жизни. Сенсационным результатом в синтетической биологии была «медузоидальная», искусственная «медуза» крысиных и силиконовых мышечных клеток, которая могла плавать. Однако это не только генерировалось биопринтером.
Пищевая промышленность
Кроме того, для производства таких продуктов, как мясо, биопринтеры могут использоваться в массовых масштабах. По данным компании, Modern Meadow уже напечатал вкусное мясо, которое производилось с меньшими усилиями, чем домашний скот и убой. Компания хочет положить конец резне. В настоящее время нет «печатного» мяса в продаже, хотя это уже возможно с точки зрения вкуса и здоровья. Профессор Stampfl из Института материаловедения и технологии Венского технологического университета подсчитал, что стоимость печатного куска мяса составит не менее 50 000 евро в 2013 году.
Сатира такой пищевой промышленности уже была представлена в фильме «Brust oder Keule» в 1976 году, в котором Луи де Фюнес играет ведущую роль и тайно вторгается в фабрику, в которой, например, искусственно производится курица.
прогноз
В 2017 году достижения биологического принтера остаются ограниченными, ученые стремятся улучшить и развить существующие технологии. Гипотеза функциональной технологии биопечати предложила бы много перспектив применения.
трансплантация
Главная цель — хирургическая прививка. Печатные органы из клеток получателя также помогают избежать риска отказа. Это спасло бы тысячи жизней, снизило бы стоимость медицинской помощи и соответствовало бы постоянно растущим требованиям органов. Следует отметить, что количество обратившихся к органам почти удвоилось между 2006 годом (12 531 заявитель) и 2014 (20 311). Но для этого требуется время и опыт, потому что вам нужно создать сложную васкуляризацию, чтобы насытить кислородом и накормить орган. И в настоящее время трудно воссоздать сложные кровеносные сосуды. Кроме того, созданные органы являются жизнеспособными только в течение ограниченного времени и на момент крошечного размера. Они тогда непригодны для людей. Чтобы создать и отреагировать на нехватку органов, вы ждете еще несколько лет.
Цель печати кожи особенно способна обрабатывать большие сжигания путем создания тканей, адаптированных к ране пациента 38. В настоящее время трансплантация выполняется путем удаления неповрежденной ткани из тела пациента (аутотрансплантат) или с помощью пожертвований на кожу. Эта операция часто бывает болезненной или санкционированной отказом от иммунной системы. Согласно D r Marc Jeschke: «90% ожогов встречаются у людей с низким и средним уровнем дохода, с большей смертностью и заболеваемостью, оснащенными системами здравоохранения и неадекватным доступом к средствам для лечения ожогов. Регенерация кожи с использованием собственных стволовых клеток пациента может значительно снизить риск смерти в развивающихся странах ». Следует отметить, что число пересадок, проведенных во Франции, увеличивается: 4 428 в 2006 году и 5 357 в 2014 году, но эти цифры по-прежнему очень низкие по сравнению с запросами, поскольку только квартал в 2006 году и чуть более трети в 2014 году заявителей могли быть привиты.
Улучшение и распространение принтеров позволили бы печатать отдельные ткани клеток из стволовых клеток пациента для прививки на пациента. Затем, с установкой биологических принтеров в больницах для печати живых тканей по требованию и обычаю. Но также предусматривается прямая печать тканей на теле человека или в теле человека путем печати последовательностей слоев клеток: для получения трансплантатов, тканей, которые могут быть имплантированы непосредственно у пациента. Таким образом, биопечати было бы решением для создания ткани из клеток пациента.
Протезы
Биопленочные протезы: Печать с использованием биопротеза и материалов имплантатов ограничивала бы риск отказа и заражения реципиента. Исследователи полагаются на использование всеорганических материалов и стволовых клеток для достижения этого. Обратите внимание, что этот тип трансплантата будет использоваться только для определенных патологий, таких как трахеотомии, которые оставляют серьезные последствия, такие как потеря речи и высокий риск заражения.
Медицинские исследования
Биопечать позволяет производить биологические ткани для экспериментов в медицинских, фармацевтических и токсикологических исследованиях. Целью является создание индивидуализированных тканей, сделанных из клеток пациента, позволяющих выбирать in vitro эти ткани для лечения и разрабатывать индивидуальные терапевтические решения. «Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются эти компании, является способность точно оценивать токсичность новых методов лечения на человеческих клетках, особенно в печени. В период с 1990 по 2010 год 25% лечения были либо сняты с рынка, либо оказались в фазе 3 из-за токсического воздействия на печень ». Этот тип приложения также может привести к снижению стоимости поиска.
Например, в области рака: путем трехмерной реконструкции собственных тканей пациента (с учетом клеточной среды опухоли) для проведения химиотерапии. Последовательная печать раковых опухолей позволит исследователям тестировать соединения и, таким образом, нацеливать наиболее эффективные молекулы для данной мутации. На данный момент пациенты используются в качестве подопытных кроликов для этих испытаний. Текущее время разработки препаратов длительное и может ускоряться путем биопечати больной ткани.
Использование биопечати может снизить стоимость и процесс исследований и разработки новых методов лечения. Согласно исследованию: «В период с 1997 по 2011 год 12 лучших фармацевтических компаний потратили на исследования и разработки $ 802,5 млрд, чтобы окончательно утвердить 139 новых методов лечения. Таким образом, процесс, приводящий к коммерциализации одного лекарственного средства, в среднем составляет 5,77 млрд долларов. Другими словами, 40% вложенных денег не выходили за рамки лабораторного этапа ». Косметические и фармацевтические компании оказывают значительную финансовую поддержку исследовательским лабораториям биопечати.
Печать in vivo
Печать in vivo — это печать непосредственно с пациента. Например, BioPen способен восстанавливать переломы и раны путем инъекции смеси стволовых клеток с помощью биополимерного геля (экстракт водорослей: белки, ускоряющие регенерацию). Эта смесь объединена в BioPen, достаточно наложить последовательные слои на поверхность кости или отсутствующий хрящ для заполнения поврежденной области. Ультрафиолетовый источник, прикрепленный к ручке, мгновенно затвердевает. Со временем защитный гель деградирует, и клетки размножаются и диссоциируют, чтобы стать нервными, мышечными, костными клетками для восстановления области. Этот метод позволяет повысить точность и сократить время операции. Она появилась в Университете Вуллонгонга в Австралии, и лабораторные тесты являются окончательными, но вскоре начнутся клинические испытания в больнице Сент-Винсент в Мельбурне. Тогда может быть возможно немедленно восстановить перелом и почему бы не восстановить кожу и органы. Печать in vivo, в частности, была проверена на больших ранах, сжигаемых с надеждой вылечить серьезных ран солдат прямо на поле битвы, например.
Синтетическое мясо
Американский старт, Modern Meadow, собрал 350 000 долларов для создания 3D-принтера, способного печатать мясо. Эта технология могла бы избежать убийства животных, чтобы кормить людей и сделать производство мяса более экологичным и более экономичным.
Трансгуманизм
Имплантация протезов может увеличить продолжительность жизни, заменив части тела человека и даже создав сверхчеловеческие тела, такие как бионическое ухо, созданное учеными из Принстонского университета.
Влияние
3D-биопринтинг способствует значительным достижениям в медицинской области тканевой инженерии, позволяя проводить исследования по инновационным материалам, называемым биоматериалами. Биоматериалами являются материалы, адаптированные и используемые для печати трехмерных объектов. Некоторые из наиболее известных биоинженерных веществ обычно сильнее, чем средние телесные материалы, в том числе мягкие ткани и кости. Эти составляющие могут действовать как будущие заменители, даже улучшения, для оригинальных материалов тела. Альгинат, например, представляет собой анионный полимер со многими биомедицинскими последствиями, включая выполнимость, сильную биосовместимость, низкую токсичность и более прочную структурную способность по сравнению с некоторыми структурными материалами тела. Синтетические гидрогели также являются обычным явлением, включая гели на основе PV. Комбинация кислоты с использованием сшивающего агента на основе PV, основанного на ультрафиолетовом излучении, была оценена Институтом медицины Уэйк-Форест и определена как подходящий биоматериал. Инженеры также изучают другие варианты, такие как печать микроканалов, которые могут максимизировать распространение питательных веществ и кислорода из соседних тканей. Кроме того, Агентство по уменьшению угрозы обороны нацелено на печать мини-органов, таких как сердца, печень и легкие, в качестве возможности для тестирования новые лекарства более точно и, возможно, исключить необходимость тестирования на животных.
Правовые аспекты
Поскольку био-печать является относительно новой технологией и еще не успешной, ее юридические аспекты по-прежнему содержат широкие проблемы. Это включает положения, патенты, вопросы, связанные с этим, а также законодательство об интеллектуальной собственности.
Биологическая печать (и большинство технологий биопроизводства в целом) пока недоступны для широкой публики. Таким образом, предлагаемые решения о различных правовых проблемах этой технологии в следующих параграфах являются только предложениями.
Политика и положения
Вмешательство государства в исследования и регламентационные аспекты новых технологий имеет решающее значение для будущего последних. Что касается биопечати, чрезмерно ограничительные правила могут привести к созданию черного рынка печатных органов. Ибо, если доступ к биофункциональной печатной продукции слишком тяжелый, это действительно может привести к вторичному рынку, на котором не гарантируется ни обслуживание, ни качество продукции.
Следующие предложения исходят от Яспара Л. Тран и взяты из его статьи «К биопринту или не к биопринту»:
запрет
Самое простое решение, вероятно, заключалось бы в запрете всех видов деятельности в области биопечати, но это приведет к прекращению технологии, которая может в долгосрочной перспективе сэкономить много человеческих жизней. Другим решением будет запрет на исключение для исследований и чрезвычайных ситуаций. Это решение похоже на предыдущее, но на этот раз с разрешением продолжить исследования и эксперименты. Тем не менее, вопросы квалифицированных людей для проведения исследовательской работы, источников финансирования (частные / общественные) и т. Д. Остаются предметом обсуждения.
Саморегулирование
Решение, диаметрально противоположное запрету, должно было бы создать, вообще не регулировать. Таким образом, государство рассчитывает на своих граждан и их способность самостоятельно регулировать рынок. Это основано на предположении, что люди будут делать «праведные» и этические вещи. В случае биопечати это может быть рассмотрено, потому что биопечати несет небольшой риск. Государство может по-прежнему поддерживать эту технологию посредством образования и распространения инструкций по технике безопасности для широкой общественности, например. Однако это уберет возможность наличия патентов на новые изобретения в этой области, что может уменьшить бюджет исследований. Всегда есть возможность финансировать исследования через.
Предоставление патентов и интеллектуальной собственности
Патенты и интеллектуальная собственность доминируют над любой новой технологией с большим потенциалом для коммерциализации, а биопечати, конечно же, являются частью такого рода технологий. Согласно нам можно выделить пять основных категорий, к которым могут относиться различные патенты на биопечати:
Материалы гидрогеля / внеклеточного матрикса (ECM)
Изоляция и рост клеток
биореактор
Методы производства / распределения
Новые методы 3D-печати
Причины патентования
Мы должны иметь возможность подавать патенты на биопечати, чтобы продвигать инновации и позволять изобретателям восстанавливать отдачу от своих инвестиций. Обратите внимание, что биопечати все еще находится в зачаточном состоянии, и без дополнительных исследований и разработки такой технологии, вероятно, будет застаиваться, как, например, технология клонирования.
проблематичный
Проблема патентования биопечати заключается в том, что закон обычно запрещает патентование человеческого организма (см. Патентоспособность жизни). Но дело не так просто в случае биопечати. Следует знать, что продукт является патентоспособным, если он создан человеком и не выглядит удобным в природе.
Технически все, что связано с биопечати, является результатом изобретательности и человеческого творчества: производственных процессов, а также органов биопечати. То, что более трудно доказать, — это тот факт, что биопечати-продукт не выглядит естественным в природе. Если орган или печатная ткань являются точной копией человеческого органа или ткани, тогда биопечати нельзя запатентовать. Таким образом, биографические ткани, хотя они очень похожи на ткани человека (на функциональном уровне), (на данный момент) структурно отличаются от последних, что позволяет им быть патентоспособными.
Решение, которое могло бы избежать различных проблем и противодействие патентоспособности биопечати, заключалось бы только в патентовании производственного процесса, а не продукта как такового.
Этические и социальные дебаты
Биографика — это тема, которая представляет интерес для все большего числа исследователей, о чем свидетельствует научная литература, число статей по которой стремительно растет с 2012 года до 202 в 2015 году. Однако биопечати — это технология, которая может спровоцировать многие этические дебаты и выдвинуть ряд моральных проблем.
В 2016 году исследователи из Национального университета Сингапура опубликовали статью, в которой предлагается методичный и всеобъемлющий подход, призванный выдвинуть этические вопросы на передний план исследований в области биопечати.
Социальная стратификация
Био-печать — это недавняя и потенциально дорогостоящая технология. Он может быть доступен только небольшой части более обеспеченного населения. Неравный доступ к этой технологии может привести к социальной стратификации, разделяющей людей на основе их доходов и позволяющих более богатым жить дольше и улучшать здоровье.
Использование стволовых клеток
Биопечати основаны, в частности, на использовании стволовых клеток, которые имеют преимущество в том, что они могут размножаться и специализироваться. В зависимости от происхождения этих клеток (эмбрионов) могут возникать этические и социальные вопросы.
риски
Использование стволовых клеток и интенсивное клеточное размножение, необходимые для создания органов синтеза, предполагают, что определенные риски пролиферации клеток не исключаются. Эти риски включают образование тератомы или раковых образований, а также смещение или миграцию имплантатов. Большинство исследований в области биопечати продемонстрировали убедительные результаты в краткосрочной перспективе, но необходимо провести исследования in vivo для оценки долгосрочных рисков.
Дискуссия о эмбриональных стволовых клетках (ESC)
Эмбрионы — очень интересный источник плюрипотентных стволовых клеток для тканевой инженерии, но сбор и использование эмбрионов горячо обсуждаемой темы. На эти дебаты влияют, в частности, культурные и религиозные факторы.
Различные положения религий
В 2003 году в исследовании, опубликованном в «Advances in Experimental Medicine and Biology» в феврале 2003 года, сообщается, как различные религии воспринимают исследования эмбриональных стволовых клеток и терапевтического и репродуктивного клонирования.
Католические и православные запрещают исследования CSE и отказываются от всех форм клонирования.
Протестанты соглашаются на исследование CSE и терапевтического клонирования, если они проводятся разумно и этически, но отказывают в клонировании репродуктивного здоровья.
Мусульмане, подобно протестантам, принимают исследования и терапевтическое клонирование, при условии, что это делается на эмбрионах менее 4 месяцев. Однако они отказываются от клонирования в целях воспроизводства.
Евреи, со своей стороны, соглашаются на исследование и клонирование, если клон является стерильным и что эмбрионы используют менее 40 дней.
Наконец, в отношении буддистов они выступают против исследований по ЭСК и терапевтического клонирования. С другой стороны, они принимают репродуктивное клонирование при условии, что генетическая модификация не производится.
Различия в восприятии по странам
В 2006 году был опубликован отчет (помимо допустимости исследований эмбриональных и стволовых клеток: существенные требования и процедурные гарантии), содержащие сравнительный анализ действующих правил, касающихся использования и исследований ЭСК в большем, чем в других странах, отмечает, что регулирование терапевтического клонирования и исследование эмбриональных стволовых клеток сильно варьируется от одной страны к другой.
Терапевтическое клонирование запрещено во Франции, Германии, Испании, Италии, Австрии, Ирландии, Израиле, Швеции, Бельгии, Индии, Канаде и Австралии. Напротив, он разрешен в Соединенном Королевстве, Дании, Японии, Нидерландах и Корее. Можно видеть, что позиции варьируются от страны к стране, несмотря на их географическую близость, терапевтическое клонирование запрещено в Ирландии, но разрешено в Великобритании.
Большинство стран, которые приняли правило, запрещающее исследования и использование эмбрионов, используют в качестве этического обоснования, что приемлемы только одно из манипуляций по улучшению условий развития и здоровья эмбриона. Таким образом, разрешая только исследования, которые приносят пользу эмбрионам и оставляют в стороне любые другие научные цели, эта политика придает законный статус эмбрионам.
Напротив, некоторые страны широко принимают исследования эмбрионов и их стволовых клеток, потому что они считают более важным уменьшить страдания и смерть людей (в отличие от человеческих эмбрионов). Таким образом, это исследование рассматривается и регулируется как терапевтическое исследование. В нескольких странах, таких как Швейцария, Япония, Франция, Бразилия и Исландия, мы принимаем исследование эмбриона in vitro, если оно способствует достижению больших успехов в терапевтической области.
Эти сильные различия в восприятии могут сильно повлиять на то, как можно было бы использовать биопечати. Поэтому важно изучать и отражать эти представления, которые сложны и в значительной степени связаны с религией, культурой и политикой.