Bir kalbi 3D olarak yazdırmak ne kadar zor?
Yıldız eklemek için üstteki Sanlian Life Weekly'ye tıklayın!
Son zamanlarda, 3B baskı ile 2,5 cm uzunluğunda bir "kalp" oluşturuldu. Hala eksiklikler olsa da, biyolojik 3 boyutlu baskı ile desteklenen organ naklinin geleceğine bir adım daha yaklaştık gibi görünüyor.
Kan damarları olan ilk 3 boyutlu kalp
15 Nisan'da İsrail'deki Tel Aviv Üniversitesi, okulun laboratuvarının 3 boyutlu bir "kalp" yazdırdığını duyurdu ve deneyin sonuçları kapsamlı bilimsel dergi "Advanced Science" da yayınlandı.
Bu kalp görünüşten daha fazlasıdır. Hücrelere, kan damarlarına ve diğer destekleyici yapılara sahiptir. Kalp gibi bile kasılabilir - ancak uzunluğu sadece 2,5 cm, neredeyse bir tavşanın kalbi büyüklüğündedir. Tel Aviv Üniversitesi'nin deneysel ekip liderlerinden biri olan Profesör Assaf Shapira, bu dergiye şunları söyledi: "Geçmişle karşılaştırıldığında, bu 3D baskılı kalp araştırmasının dönüm noktası: Bu sadece basılı bir kalp değil. Hastanın kendi hücrelerini ve biyomalzemelerini 3D baskı için kullanan dünyanın ilk 3B vaskülarize edilmiş kalbi. Vasküler dokuya sahip 3 boyutlu yapay bir kalptir. kalp. "Bundan önce, bilim adamları sadece kan damarı olmayan basit dokular basmayı başardılar.
3D baskılı kalp süreci
Assaf Shapier, "Kalp baskımızın hammaddesi hastalardan çıkarılıyor. Bir dilim yağ dokusu çıkarılıyor, kök hücrelere dönüştürülüyor ve daha sonra kardiyomiyositlere ve endotel hücrelerine dönüştürülüyor. Ayrıca, , Hücresel olmayan dokuların çıkarılması ve baskı "mürekkep" görevi görmesi için bir tür "kişisel benzersiz jel" haline getirilmesi.Şeker ve proteinden oluşan bu malzemeler, karmaşık doku modellerinin 3 boyutlu yazdırılmasında kullanılabilir ve ardından doku mühendisliği prensiplerini kullanabilir İskeleyi hücrelerle doldurun ki hücreler daha iyi yenilenebilsin. "Dedi. Bu deneyde kullanılan "baskı malzemeleri" ve "yapışkan tutkal", doku ve organların başarılı bir şekilde yapılandırılması için gerekli olan hastanın kendi hücrelerinden elde edilir.Bu, baskılı kalbin vücuda nakledildikten sonra ret üretmeyeceği anlamına gelir. .
Aslında kalp nakli bir zamanlar 21. yüzyıl tıbbının zirvesi olarak selamlanmıştı ... Şu anda dünyanın her yerinden binlerce insan geleneksel yöntemlerle kalp naklini tamamlamakta yani beyin ölümü hastalarına kalp atışı sağlamakta ve hastane kalbi özel malzemelerle yerleştirmektedir. Çin'de, kalbi taşımak için sivil havayolları ile işbirliği yapıyor - beyin ölümü yapan donörler için iskemi sınırı 6 saattir - vericiyi alan hastanenin bu süre içinde kalbi alması ve kalp nakli yapması gerekiyor. Şu anda, kalp transplantasyonundan sonra ölüm oranı yüksek kalmaktadır ve bu, esas olarak reddedilme reaksiyonlarıyla ilgilidir. 1978'de Zhang Shize ve diğer doktorlar Çin Anakarasındaki Shanghai Ruijin Hastanesinde ilk kalp nakli ameliyatını tamamladılar, ancak hasta ameliyattan sadece 109 gün sonra hayatta kaldı. Şimdi bile, kalp naklinden sonraki 5 yıllık hayatta kalma oranı% 50'nin biraz üzerindedir.
Bunun ışığında, Tel Aviv Üniversitesi'nin teknik yöntemleri gelecekteki insan denemeleri aşamasında etkili olabilir ve bir dereceye kadar kalp nakli sonrası geleneksel reddetme problemini çözebilirse, bu gerçekten büyük bir atılım olacaktır.
Assaf neden böbrekler veya diğer organlar yerine kalbi 3D olarak yazdırmayı seçtiği sorulduğunda şu yanıtı verdi: "Zorluk açısından hangisinin daha kolay olduğunu söyleyemiyorum. Ancak mevcut geleneksel kalp nakli yöntemi, ilerlemiş kalp yetmezliği olan hastalar için mevcut olan tek yöntem. Tedavi yöntemleri. Ciddi bir kalp donörü sıkıntısı var. Bizim için yeni yöntemler geliştirmek için çok çalışmalıyız. "
Kalbin büyüklüğü, çeşitli hücre türleri ve atması nedeniyle, yani tüm miyokard hücrelerinin işlev görmesi için hemen hemen aynı anda kasılması gerekir. Uzun yıllar boyunca 3D baskı teknolojisinin geliştirilmesinden sonra bile, kraniyofasiyal cerrahi, ortopedi ve stomatoloji tıbbi alanında 3D baskılı protez implantasyonu vakaları, günümüzde nadir değildir, ancak bilim adamları basit insan dokularını yapay olarak yetiştirme teknolojisinde zaten uzmanlaşmıştır. , Bununla birlikte, hastanın sitolojisine, biyokimyasına ve anatomisine uyan bir kalbi 3D olarak yazdırmak yine de zordur.
Assaf, bu deneyin bazı pişmanlıklarından da çekinmedi, "3D yazıcımızın doğruluğu ile sınırlı, şu anda tüm kan damarlarını kalbe yazdırmak mümkün değil ve kalbin pompalama işlevi yok." 3D baskılı "kalp" mesafesi de hayvan deneyleri için gidilecek uzun bir yoldur.
Peki, bir kalbi 3D olarak yazdırmanın zorluğu nedir? Kaynağa geri dönmek, dünyanın yerçekimi problemine bağlanabilir - basılı kalp kanı pompalayamaz çünkü kalp düzgün bir şekilde atamaz; kalp düzgün bir şekilde atar, kalp hücreleri arasında yakın temas gerektirir, vb. Dünyanın yerçekiminin varlığı doğrudan veya dolaylı olarak yukarıda belirtilen tüm koşulların başarısızlığına yol açar.
Baskılı kalp atışı nasıl yapılır?
Bir kalbi 3B yazdırmak, bir hücre yığınını bir kalbe istiflemek kadar basit değildir. Tel Aviv Üniversitesi deneyi, 3D baskı alanındaki "biyolojik 3D baskı" ya aittir. 3B yazıcılar ve geleneksel yazıcılar arasındaki temel fark şudur: Bir yandan, geleneksel baskı iki boyutlu alanda düz bir baskı iken, 3B baskı, malzemeyi artırmak için malzeme katmanlarını istifleyen üç boyutlu bir baskıdır; geleneksel baskı mürekkebi kullanır , Ve 3D yazıcılar farklı deneysel amaçlara göre değişiklik gösterir. Diğer 3B baskıda yaygın olarak kullanılan lazer veya ısıdan farklı olarak, biyolojik 3B baskı, hücrelerin faaliyetini sağlamak için hücreleri kullandığından, ışık ve ısı olamaz. Farklı hücre büyüme ortamlarına göre, biyolojik 3D baskının, basılı dokuları biyolojik olarak aktif hale getirmek için baskı parametrelerini ayarlaması, biyolojik materyaldeki hücrelerin yoğunluğunu, genel 3D yapıdaki büyüme faktörlerinin konumunu ve ilgili etkileri doğru bir şekilde kontrol etmesi gerekir.
Kalp, temelde attığı için sıradan organlardan daha karmaşıktır. Kalp atıyor çünkü kardiyomiyositler birbirine sıkıca bağlı ve hücreler tarafından üretilen elektrik sinyalleri çok sayıda kardiyomiyositin birlikte kasılmasına neden oluyor. Ve iki kulakçık ve iki karıncığın koordineli kasılmasını koordine etmek için kalbin kendisinin özel bir iletim sistemi vardır.
İn vitro olarak on milyonlarca kardiyomiyosit üretmek zor olmasa da, Ancak kalp 3B yazdırılmış olsa bile, zıplayıp atlayamayacağı ve nasıl zıplayacağı başka bir şeydir. Örneğin klinik semptomları ele alalım, ventriküler fibrilasyon, kalp kası hücrelerinin eşzamanlı olarak atamamasından kaynaklanır. "Senkronizasyon" kaybolduğunda, birbiri ardına atan çeşitli hücreler, kalbin kan pompalama işlevini anında kaybetmesine ve ölüme neden olacaktır. Başka bir deyişle, kalp kan pompalayacaksa, kalbin çok düzgün atması gerekir.
15 Nisan'da bir 3D yazıcı İsrail'deki Tel Aviv Üniversitesi laboratuvarında bir 3D kalbi basıyor (fotoğraf | AFP)
Tel Aviv Üniversitesi tarafından bu kez basılan kalp, henüz çok sayıda hücrenin senkronize atışına ulaşmadı ve yeterli güç üretiyor. Bir Amerikan Üniversitesi Nörobilim Bölümü'nden bir profesör, bu dergiye şunları söyledi: Bu deneyde yayınlanan makaleye göre, basılı dokuların elektriksel olarak bağlı olduğu ve komşu hücrelerin eşzamanlı olarak attığı görülüyor. Ama bu başarılmanın çok ötesinde. Senkronizasyon gereksinimleri. "
Öyleyse neden Tel Aviv Üniversitesi ekibi tarafından basılan kalp düzgün bir şekilde atamıyor? Cevap, dünyanın yerçekimi ile ilgilidir. "3D baskının yapışma kuvveti, kalp veya böbrek gibi büyük organları desteklemek için yeterli değildir ve yerçekiminin etkisi altında hücre yırtılmasına neden olur." Harvard Üniversitesi araştırmacısı Xie Xin, dergiye yaptığı açıklamada, aynı zamanda organ çipi şirketi ApreX'in de kurucu ortağı olduğunu söyledi. Ana araştırma yönleri arasında mikro-mekanik elektronik sistemler, biyolojik 3D baskı, mikroakışkan çipler ve organ çipleri bulunmaktadır. "Biyolojik 3B baskının temel sorunu, biyolojik malzemelerin ve yer çekiminin 3B yazdırılan hücreler üzerindeki etkisini çözmektir."
Tel Aviv Üniversitesi resmi web sitesinden resim
Xie Xin'in mikro mekanik elektronik sistemler alanındaki araştırma nesneleri, mikro ve nano ölçekli cihazlardır.Bu tür mikro ölçekli özel durumlarda, elektrostatik adsorpsiyon kuvveti, cihazın yer çekiminden çok daha büyük olacaktır, bu nedenle araştırmacılar yerçekiminin etkisini ve daha fazlasını görmezden gelecektir. Elektrostatik adsorpsiyon kuvvetini hesaplayın. "Bu yasa, sırayla, küçük organ hücresi modellerini 3D biyoteknolojide basmanın neden mümkün olduğunu iyi açıklıyor, ancak gerçek boyut (250 gramlık kalp gibi) basıldıktan sonra, hücreler arasındaki destek ve yapışma Elbette (baskınızın boyutuna göre değişmez), o zaman iki sonucu olabilir: bir yandan alt katmandaki hücreler, üst katmandaki gittikçe büyüyen hücrelerin baskısı altında çöker; diğer yandan hasat yoksa Basınç altında çöker. Aktarma ve taşıma sırasında hücrelerin üst tabakası alt hücre tabakasının ağırlığını taşıyamaz ve yırtıklar oluşur. "
Hücreler arasındaki yırtık nedir? Vücuttaki hücrelerin birlikte "büyüme" yeteneği, hücreler arasında karşılıklı temas ve tanımayı gerektirir ve bu temas ve tanınma, protein molekülleri aracılığıyla sağlanır. Protein molekülleri arasındaki temas kilidi açan bir anahtar gibidir, hassas temas hücredeki birçok makineyi açar ve iki hücre arasındaki bağlantıyı kademeli olarak güçlendirir. Kalbi basarken, "mürekkep" içindeki kardiyomiyositler küreseldir ve birbirleriyle temas halinde değildir Baskıdan sonra, hücrelerin olgun kardiyomiyositler haline gelmesi için birlikte büyümesi gerekir ve hücreler arasında çok sayıda protein moleküler bağlantıya ihtiyaç vardır. Bahsi geçen Amerikan Üniversitesi Nörobilim Bölümü profesörü, bu dergi için biyolojik 3 boyutlu baskı sürecinin mikroskobik sahnesini şöyle anlattı: Hücreler baskı kafasından düştüğünde, sırasıyla diğer hücrelere temas edecekler.Şu anda, protein molekülleri birbirlerini tanıyacak, ancak yeni fark ettiler. Sadece birkaç molekül birbirine dokunduğunda bağlantı çok zayıftır.Çok sayıda hücre düşerse, yerçekimi yeni kurulan bağlantıyı tıpkı bir filin kolayca saçını kopartabileceği gibi koparır.
Hasta hücreleri ve biyomateryaller kullanılarak basılmış üç boyutlu vaskülarize tasarlanmış kalp 3D
Sonuç olarak, yerçekiminin varlığından dolayı, yazdırılan kalp hücreler arasında yakın temastan yoksundur, bu da kalbin atış frekansını etkiler ve kalbin normal bir pompalama işlevi olamaz. Hücreler uzayda yerçekimi olmaksızın birlikte yüzebilirse, protein molekülleri hücreler arasındaki bağlantıyı kademeli olarak güçlendirebilir ve kalp düzgün bir şekilde dövülebilir.
Kalbi uzayda yazdırın
Beş yıl önce NASA, mükemmel 3D baskı projelerini sistematik olarak finanse etmeye başladı. Bu yılın Mayıs ayında, Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS), sıfır yerçekimi ortamında ilk kez 3B baskının kalbine girebilir.Tüm sürecin maliyeti yaklaşık 7 milyon ABD dolarıdır ve bunun% 80'ini fırlatma maliyeti oluşturmaktadır.
"NASA, ağırlıksız bir ortamda 3B baskı sürecindeki malzemelerin sentezini etkileyen faktörleri azaltmayı umuyor." Xie Xin ekledi. Yeni kurulan şirket, yapay organ dokuları üzerinde araştırma yapmak için Uluslararası Uzay İstasyonundaki mikro yerçekimi ortamının nasıl kullanılacağını NASA ile araştırıyor.O, sıfır yerçekimi ortamında büyük organların 3 boyutlu yazdırılmasını çok destekliyor.
Assaf Shapier, NASA'nın uzayda bir kalbi 3B yazdırmaya çalışma planının da farkında. "Bu çok pahalı ve ben şahsen bu sonucun uzaya gitmeden elde edilebileceğini düşünmüyorum. Gerçekten de, mevcut bio-3B baskı teknolojisi ince, doğal olarak yoğun vasküler sistemlerin yazdırılmasına izin vermiyor. Yeryüzünde baskı, bir yük taşıma gerektirir Destek Ortamı, yerçekiminin etkisini belirli bir dereceye kadar kontrol etmek için kullanılır Mevcut işlem, karıştırmak ve yazdırmak için hücreleri ve hidrojel benzeri malzemeleri kullanmaktır.Hidrojelin kendisinin mekanik yapı desteği yoktur, bu nedenle hücreleri gözeneklere doldurmak için harici bir desteğe ihtiyaç vardır. İçeri gir."
Tel Aviv Üniversitesi deney ekibinin liderlerinden Assaf Shapier
Bu bağlamda, Xie Xin, Assaf ekibi tarafından basılan küçük boyutlu kalplerin, baskıyı tamamlamak için bir yük taşıyıcı braket desteğine ihtiyaç duyduğu konusunda ısrar etti, böylece büyük boyutlu organları basmanın zorluğu hayal edilebilir. "İskele olmadan yeryüzünde insan organlarının tamamını 3D olarak yazdırmak çok zor ve iskelelerin varlığı hücreler arasındaki teması etkiliyor. Hidrojel iskelesi yumuşaklığı ve sertliği ayarlayabilse de, bu İsrail örneğinde, Yük taşıma kapasitesini sağlamak için sert bir iskele kullanılmalıdır ve hücreler birlikte kolayca büyüyemez.
Bu sefer, Uzay X ile Uluslararası Uzay İstasyonundaki düzinelerce projeden biri, 25 yılı aşkın süredir NASA, Space Exploration Corporation ve diğer ortaklar için teknoloji geliştiren Techshot adlı bir şirkettir.NScrypt ile birlikte biyolojik 3D yazıcılar geliştirmiştir. Ve 2003 yılında dünyanın ilk 3B biyo yazıcısını yaratan da nScrypt'ti. Geçen yıldan başlayarak, Techshot ve üçüncü taraf kuruluşlar, Uluslararası Uzay İstasyonu üzerinde deneylerin tam otomatik olarak nasıl tamamlanacağını ortaklaşa inceledi.Uzun vadeli derin uzay keşif görevlerinin tıbbi ihtiyaçlarını karşılamaya yardımcı oluyor. Nihai hedef, insanlığı sağlamak için uzayda organ üretim tesisleri inşa etmektir. 3D yazdırılan organlar için bekleme süresi uzun olmayacaktır. Şirketin kamuoyu açıklaması oldukça misyoner: "Amacımız uzayda nakledilebilir organlara ulaşmaktır."
2016 yılında Techshot ve nScrypt, kalbin kan damarı yapısını sıfır yerçekimi ortamında başarılı bir şekilde 3D olarak yazdırmak için yetişkin insan kök hücrelerini kullandı. Her şey planlandığı gibi giderse, Uluslararası Uzay İstasyonu önümüzdeki ay dış uzay ortamına uygun özelleştirilmiş bir bio 3D yazıcıya sahip olacak En önemli şey daha sofistike ve karmaşık dokuları 3D olarak yazdırabilmek. Buradaki anahtar kelime "iyi". NScrypt'in başkanı ve CEO'su Dr. Kenneth Church, nScrypt 3D biyoyazıcı tarafından basılan hücre katmanının insan saçından birkaç kat daha ince olduğunu kamuoyuna açıkladı. "Bu fark, çizim sırasında boya kalemi yerine ince bir kalem tutulması olarak düşünülebilir." NScrypt BAT 3D yazıcı, Smart Pump patentli teknolojiyi kullanır. Biyolojik malzemelerin akış oranını daha doğru bir şekilde kontrol etmek için 100 mikrolitre kadar düşük bir hacme sahiptir. Kontrol ve 10 mikron kadar küçük nozulları kullanabilir. Bu, insan organlarının ince ayrıntılarını yazdırmak için gereklidir.
Eksiksiz insan organlarının basılmasında baskı yapmak için uzaya gitmenin yalnızca bir adım olduğunu belirtmekte fayda var. Ancak fark edilse bile, hayvan deneylerinden önce daha gidilecek uzun bir yol var. "Bio-3D baskının çözmesi gereken ilk şey, kendi ağırlıklarının neden olduğu hücre yırtılması sorunudur ve aşağıdaki sorunların tümü anlamsızdır. Bu sorunu çözdükten sonra, hücre kültürü ortamını, hücre iletişimini ve biyolojik malzemeleri optimize etmeye devam edeceğiz. Seçim, görmek istediğimiz yönde yavaş yavaş gelişecek. "Xie Xin ekledi.
Geri adım atmak gerekirse, yerçekimi sorunu ortadan kaldırılsa ve kalp düzgün bir şekilde atabilse bile, bir kalbi 3D baskının zorluğu henüz bitmedi - sadece sürekli kan temini ile basılı organ veya dokular uzun süre hayatta kalabilir. Bir kan damarı ağının nasıl kurulacağına dair net bir cevap yoktur ve kan dolaşımı sorunu, katı organları 3D olarak yazdırmak için neredeyse ölü bir noktadır. Kalbin kendisini desteklemek için vücutta dolaşan kanın yaklaşık% 10'una ihtiyacı vardır Kanı terk ettikten sonra, tüm organlar ancak 4 derecelik düşük bir sıcaklıkta "pişebilir". Hücrelerin basılması 37 derece vücut ısısı gerektiriyorsa, baskıyı tamamlamak için neredeyse hiç zaman yoktur, çünkü ilk yazdırılan hücreler, baskı tamamlanmadan oksijen yetersizliğinden ölecektir. Profesör Assaf Shapier'in röportajda bahsettiği deneyin zorluğu da budur. "Şimdi çözmemiz gereken darboğazlardan biri, hücreleri '0. günden' itibaren korumak için büyüyen dokulara oksijen ve besinlerin nasıl sağlanacağıdır - basılı yapı destek ortamından çıkarıldığı andan itibaren. Hayatta kalma. Bunun için, baskılı kalbin ana kan damarlarında ve bölmelerinde oksijen içeren büyüme ortamını dolaştırabilen özelleştirilmiş özel bir biyoreaktör sipariş ettik. "
Bu özel "biyoreaktör" sorunu çözebilir mi? Şu anda doğrulanamıyor. Sadece bu tür bir biyoreaktör etkili olsaydı, organ naklinde yeteneklerini göstermesi gerekirdi.Günümüz organ naklinin bir uçağı yakalamak için zamana karşı yarışması gerekmiyor. Birkaç gün "biyoreaktör" içinde yaşayıp sonra sakince nakletmek tamamen mümkün. .
Biyolojik 3 boyutlu baskı adım adım bile bilim kurgu olay örgüsüne doğru ilerliyor. Assaf röportajın sonunda hala vurguladı: "Umarım asla tam bir insan çıktı alamayız. Tanrı olmak istemiyoruz, sadece kalp hastalığı olanlara yardım etmek istiyoruz."
(Bu makale Sanlian Life Weekly, Sayı 20, 2019'da yayınlandı)
Herkes izliyor
Yazının telif hakkı "Sanlian Life Weekly" ye aittir, Arkadaş çevrenize hoş geldiniz , Lütfen yeniden yazdırmak için arka planla iletişime geçin .
, Tek tıkla sipariş ver
[Neden "Ailemi Seviyorum"]
Orijinal metni okumak için tıklayın, haftalık kitabevine girin, Daha fazla iyi kitap satın alın.
