3D biospausdinimo technologijos pažanga pakeitė medicinos srities požiūrį į audinių regeneraciją. Naujausi pasiekimai leidžia tiksliai sukurti funkcinius odos transplantatus ir kaulų struktūras naudojant paciento pačių ląsteles. Šis procesas apima sudėtingus biologinius dažus ir specializuotas spausdinimo technologijas, imituojančias natūralią audinių struktūrą. Šios spausdintos medžiagos parodė daug žadančius rezultatus preliminariuose klinikiniuose tyrimuose, sumažindamos atmetimo atvejų skaičių ir pagreitindamos gijimą, palyginti su tradiciniais metodais. Šių technologijų reikšmė peržengia audinių atkūrimo ribas ir apima potencialų visų organų gamybą ateinantį dešimtmetį.
3D biospausdinimo technologijos mokslinis pagrindas
Biologijos ir inžinerijos sankirtoje 3D biospausdinimo technologija yra revoliucinis požiūris į audinių regeneraciją. Šiame procese naudojamos specializuotos spausdintuvų galvutės, kad sluoksnis po sluoksnio būtų uždedami biologiniai rašalai – tiksliai suderinti gyvų ląstelių, hidrogelio, pvz., kolageno, ir augimo veiksnių mišiniai, siekiant sukurti funkcines audinių struktūras.
Kaulų atžvilgiu spausdintuvai purškia rišiklius ant plonų kalcio fosfato miltelių sluoksnių (~12 µm, maždaug 0,5× žmogaus plauko storio), sukurdami akytus karkasus, kurie vėliau sukepinami ~1250 °C temperatūroje. Šie biokeramikos karkasai, dažnai sustiprinti silicio dioksidu arba cinko oksidu, kad padidintų atsparumą gniuždymui, palaipsniui biologiškai suyra, kaip ir natūralūs kaulai. Darbo eiga apima paciento vaizdų integravimą, kad būtų sukurti anatomiškai tikslūs implantai.
Dabartiniai taikymo atvejai kaulų regeneracijoje
Naudodami novatorišką tradicinės metalo 3D spausdinimo technologijos pritaikymą, Vašingtono valstijos universiteto mokslininkai sukūrė funkcinius kaulų karkasus, turinčius daug žadančias klinikines galimybes.
Jų procese skystas plastikinis rišiklis purškiamas ant kalcio fosfato keramikos miltelių sluoksniais, kurių storis yra mažesnis nei 0,025 cm. Silicio dioksidu ir cinko oksidu sustiprinti karkasai deginami 1250 °C temperatūroje, kad susidarytų biologiškai resorbuojamos struktūros, idealiai tinkamos mažos apkrovos remontui.
Pradiniai bandymai rodo greitą kaulų ląstelių augimą in vitro, o tyrimai su gyvūnais rodo sėkmingą integraciją.
Mokslininkai numato, kad individualizuoti karkasai, sukurti remiantis paciento kompiuterinės tomografijos duomenimis ir augimo faktoriais, bus naudojami žandikaulio rekonstrukcijai ir stuburo sąnarių sujungimui, o klinikinis jų pritaikymas numatomas per 10–20 metų.
Proveržiai žmogaus odos spausdinimo srityje
Keletas novatoriškų pažangų 3D biospausdinimo technologijos srityje daro revoliuciją odos regeneracijos gydymo srityje nudegimų aukoms ir pacientams su sudėtingomis žaizdomis. Wake Forest institutas yra tiesioginio spausdinimo ant žaizdos, naudojant paciento ląsteles, pradininkas, o pirmieji bandymai parodė pagreitintą gijimą ir sumažėjusį skausmą.
Konkordo ligoninės pasaulyje pirmasis žmogaus saugos bandymas yra svarbus žingsnis link tiesioginio naudojimo ant nudegimų. Spausdinti „biologiniai rašalai“ sujungia paciento ląsteles su biomaterialiais, pritaikytais konkrečioms žaizdos savybėms.
Pramoninės partnerystės, įskaitant „Inventia Life Science“ chirurginį robotą „Ligo“, didina tikslumą ir klinikinį gyvybingumą. Tuo tarpu komercinis tokių įmonių kaip „L’Oréal“ susidomėjimas spartina technologijų plėtrą tiek klinikinėms taikymėms, tiek kosmetikos bandymams.
Klinikinių tyrimų rezultatai ir pacientų rezultatai
Ankstyvieji klinikiniai tyrimai, kuriuose buvo tiriamos 3D spausdintos biologinės medžiagos, davė daug žadančių rezultatų daugelyje gydymo sričių.
Konkordo ligoninės odos spausdinimo bandymo pacientai, kuriems buvo persodinti jų pačių ląstelės, patyrė greitesnį gijimą ir žymiai sumažėjusį skausmą. Šis saugumo etapo tyrimas bus naudingas ateityje tiesiogiai taikant degimo atvejais.
Kalcio fosfato kaulų karkasai gyvūnų bandymų metu per savaitę parodė greitą ląstelių augimą, o silicio dioksido ir cinko oksido priedai padvigubino medžiagos stiprumą žandikaulių ir stuburo srityse.
3D spausdintas kaukolės pakaitalas davė išskirtinius rezultatus – recipientas atgavo regėjimą ir grįžo į darbą per tris mėnesius po implantacijos.
Tradicinių transplantatų palyginimas su 3D spausdintomis alternatyvomis
Tradicinės persodinimo technikos susiduria su žymiais apribojimais, kuriuos 3D spausdinimo technologija siekia įveikti. Autotransplantatai ir alotransplantatai dažnai sukelia donoro vietos komplikacijas, skausmą ir tiekimo apribojimus, o 3D spausdinti kalcio fosfato karkasai pašalina šias problemas, sukuriant individualius implantus pagal paciento kompiuterinės tomografijos duomenis.
Įprasti sintetiniai implantai dažnai prastai integruojasi su natūraliais audiniais, o biologiškai skaidžios 3D spausdintos alternatyvos skatina progresyvią kaulų regeneraciją. 3D spausdinimo tikslumas taip pat žymiai sumažina paruošimo laiką ir išlaidas, palyginti su rankiniu transplantato formavimu.
Tačiau šiuo metu 3D spausdinta keramika neturi mechaninio stiprumo, reikalingo didelio krūvio sąlygomis, todėl tradiciniai metaliniai implantai vis dar yra būtini apkrovą laikančioms rekonstrukcijoms.
Kalcio fosfato vaidmuo kaulų karkasuose
Kalcio fosfato kaulų sudėtis daro jį pagrindine medžiaga 3D spausdintiems kaulų karkasams, nes jo struktūrinės ir biologinės savybės yra labai panašios į natūralaus kaulų audinio savybes.
Pagerinus silicio dioksidu ir cinko oksidu, karkasų mechaninis stipris padidėja maždaug dvigubai, todėl jie užtikrina puikų atsinaujinančių audinių palaikymą.
Gamybos procesas apima sluoksnis po sluoksnio spausdinimą mikroskopiniu storumu, po to sukepinimą 1250 °C temperatūroje, kad būtų gauta galutinė keramikos forma.
Šie biologiškai resorbuojami karkasai palaipsniui tirpsta, kai natūraliai atsinaujina kaulai, leidžiant kontroliuoti skilimą, kuris atitinka audinių įaugimą mažos apkrovos sąlygomis.
Laboratoriniai tyrimai rodo įspūdingą biologinį suderinamumą: nebrandžios vaisiaus kaulų ląstelės per savaitę kolonizuoja karkasus, o tai papildo daug žadantys triušių ir žiurkių tyrimų rezultatai.
Nuo laboratorijos iki operacinės: įgyvendinimo grafikas
Nors kalcio fosfato karkasai laboratorinėse sąlygose parodė puikias biologines savybes, kelias nuo sėkmingų bandymų laboratorijoje iki plačios klinikinės taikymo yra struktūriškai suskirstytas į etapus su aiškiais tarpiniais tikslais.
Mokslininkai prognozuoja, kad pagal individualius užsakymus pagaminti pacientams pritaikyti spausdinti kaulų karkasai galėtų tapti prieinami per kelerius metus. Tačiau įprastiniam klinikiniam pažangių karkasų, kuriuose yra augimo faktorių, naudojimui gali prireikti 10–20 metų plėtros. Tuo tarpu 3D spausdinta oda jau pradėta naudoti klinikinėje praktikoje, o Concord ligoninės atliktas pirmasis pasaulyje saugumo tyrimas parodė, kad ji greičiau gyja ir mažina skausmą.
Įgyvendinimo būdai teikia pirmenybę reguliavimo saugos tyrimams, biologinio stiprinimo integracijai ir tikslios chirurgijos platformų, pvz., Ligo chirurginio roboto, skirtų intraoperaciniam taikymui, kūrimui.
Ne tik oda ir kaulai: ateities organų spausdinimo galimybės
Kadangi 3D biospausdinimo technologija tobulėja ir leidžia kurti ne tik palyginti paprastas struktūras, pavyzdžiui, odos transplantatus ir kaulų karkasus, mokslininkai vis daugiau dėmesio skiria vis sudėtingesnių audinių ir organų gamybai.
Pagrindinis iššūkis yra vaskularizacija – kraujagyslių tinklų kūrimas, kad maistinės medžiagos būtų pristatomos į storesnius audinius. Dabartiniai spausdinti konstruktai išlieka gyvybingi tik kelis milimetrus nuo maistinių medžiagų šaltinių. Mokslininkai kuria mikrovaskuliarinės sistemos sprendimus kartu su daugiamačių medžiagų spausdintuvais, galinčiais mikrometro tikslumu padengti įvairių tipų ląsteles.
Pažanga kamieninių ląstelių technologijų srityje, ypač iPSCs, gautų iš pačių pacientų ląstelių, sumažina atmetimo riziką, tačiau reikalauja patikimų protokolų, kad būtų galima pagaminti pakankamą kiekį specializuotų ląstelių. Nors funkciniai širdies organoidai ir skydliaukės konstruktai yra perspektyvūs, iki visiškai transplantuojamų organų sukūrimo dar liko keleri metai ar net dešimtmečiai.
Etiniai aspektai ir reguliavimo iššūkiai
Revoliucinis 3D biospausdinimo technologijos potencialas kelia sudėtingų etinių klausimų ir reguliavimo iššūkių, kuriuos reikia išspręsti prieš plačiai diegiant šią technologiją klinikinėje praktikoje.
Reguliavimo procedūros reikalauja įrodyti saugumą, biologinį suderinamumą ir kontroliuojamą skilimą taikant griežtus bandymų protokolus.
Informuotas sutikimas kelia etines problemas, kai naudojamos paciento ląstelės ir vaizdo gavimo duomenys.
Gamybos nuoseklumas ir kokybės kontrolė reikalauja griežtos priežiūros, ypač kai spausdinama prie paciento lovos.
Kombinuoti produktai, kurių sudėtyje yra augimo faktorių turinčios struktūros, reikalauja specializuotų klasifikavimo ir priežiūros sistemų.
Teisingumo klausimai tampa vis svarbesni, nes šie pažangūs gydymo metodai gali sukelti skirtumus tarp turtingų ir neturtingų šalių, jei nebus parengtos tikslingos strategijos, užtikrinančios prieinamumą ir įperkamumą.
Ekonominis poveikis sveikatos priežiūros sistemoms visame pasaulyje
Be etinių ir reguliavimo aspektų, 3D biospausdinimo technologija turi didelę ekonominę reikšmę sveikatos priežiūros sistemoms visame pasaulyje.
Ši technologija žada žymiai sumažinti išlaidas, nes pagreitina gijimą, sutrumpina ligoninėje praleidžiamą laiką ir sumažina pakartotinių operacijų skaičių.
CT pagrindu pritaikyti kaulų karkasai gali kainuoti dešimt kartų mažiau nei tradiciniai implantai, o tai reiškia tūkstančių eurų sutaupymą kiekvienu atveju.
Sveikatos priežiūros sistemos turi investuoti į įrangą ir mokymus, tačiau laikui bėgant išlaidos vienam atvejui turėtų sumažėti.
Nešiojami bioprinteriai galėtų demokratizuoti nudegimų ir traumų gydymą mažai išteklių turinčiose vietovėse, nes leistų vietoje gaminti transplantatus be centralizuotų audinių bankų.
Galiausiai, mastoji audinių gamyba gali sumažinti chirurginių operacijų poreikį, nors kompensavimo modeliai nulems faktinį poveikį biudžetui.
