Bio-tisk je biomedicínské aplikace procesů aditivní výroby k výrobě umělé biologické tkáně . Bioprinting lze definovat jako prostorové strukturování živých buněk a dalších biologických produktů jejich stohováním a sestavováním pomocí metody depozice po vrstvě pomocí počítače za účelem vývoje živých tkání a orgánů pro tkáňové inženýrství , regenerativní medicínu , farmakokinetiku a obecněji výzkum v biologii. Jedná se o nedávnou inovaci, která současně umisťuje živé buňky a biomateriály vrstvu po vrstvě, aby vytvořila živou tkáň. Hlavní použití potištěných orgánů je transplantace . V současné době probíhají výzkumy umělých struktur srdce, ledvin, jater a dalších životně důležitých orgánů. U složitějších orgánů, jako je srdce, byly také zkoumány menší konstrukce, jako jsou srdeční chlopně. Některé potištěné orgány již dosáhly klinické implementace, ale hlavně se týkají dutých struktur, jako je močový měchýř, a také cévních struktur.
3D bioprinting je proces vytváření buněčných struktur ve stísněném prostoru pomocí technik 3D tisku , kde jsou v tištěném konstruktu udržovány funkce a životaschopnost buněk. Obecně platí, že 3D bioprinting používá metodu tisku po vrstvách k ukládání materiálů někdy označovaných jako bioinks k vytvoření přirozených biologických tkáňových struktur, které se pak používají v oblasti lékařského inženýrství a textilií. Bioprinting používá širokou škálu materiálů. V současné době lze biotisk použít k tisku tkání a orgánů, zejména pro farmaceutický výzkum . První patent týkající se této technologie byl podán ve Spojených státech v roce 2003 a udělen v roce 2006.
Biologický tisk je na rozhraní mnoha oborů: medicína , strojírenství , informatika , genetické inženýrství atd. Biologické tkáně jsou tvořeny tvrdými tkáněmi složenými z organických a anorganických extracelulárních matric a měkkých tkání tvořených buňkami. Buněčná živá hmota je vytištěna z kmenových buněk . Ukládá se v kapičkách biologického inkoustu, který vytvoří po sobě jdoucí vrstvy a který při superponování vytvoří biologickou tkáň ve třech rozměrech. K výrobě biologického inkoustu můžeme použít pacientovy kmenové buňky, které se chystáme kultivovat (k vytvoření čtvercového milimetru tkáně je zapotřebí miliónů z nich). Kmenové buňky jsou suspendovány ve specifickém modifikovatelném médiu při teplotě místnosti. Podkladem, na kterém je tkanina potištěna, je tenká vrstva kolagenu (nejhojnější protein v lidském těle zodpovědný za soudržnost tkání), který lze přirovnat k papíru tradiční tiskárny. Kromě buněk a biomateriálů musí biotiskárna integrovat také spektrum biochemikálií (tj. Chemokiny , růstové faktory, adhezní faktory nebo signální proteiny), aby podporovala zdravé životní prostředí, přežití, motilitu a diferenciaci buněk.
Můžeme rozlišit několik fází během tisku látky pomocí 3D bioprintingu. Tyto tři postupné technologické kroky jsou předzpracování, zpracování (tisk) a následné zpracování:
Dva základní parametry v bioprintingu jsou hustota a rozlišení. Hustota buněk je v biologickém inkoustu. Pokud je to příliš nízké, nebude finální fáze dobře provedena a tkáň nebude životaschopná. Rozlišení je přesnost, s jakou budou buňky umístěny tiskárnou. Pokud přesnost není optimální, nebude respektována předdefinovaná struktura buněk a tkáň nebude mít správný tvar, což zároveň zabrání dobrému pokroku v konečné fázi vývoje buněk.
Bioreaktory fungují tak, že vytvářejí prostředí příznivé pro vývoj tkání poskytováním konvekčních živin, vytvářením prostředí mikrogravitace a podporou cirkulace roztoku v buňkách. Existují různé typy bioreaktorů vhodných pro různé typy tkání, například kompresní bioreaktory jsou ideální pro tkáň chrupavky.
Bylo to v roce 1938, kdy Alexis Carrel , Nobelova cena za medicínu v roce 1912, a Charles Lindbergh , průkopník letectví a vášnivý vynálezce, navrhli kultivaci orgánů. A než se objeví první transplantace, musíme počkat, až se objeví regenerativní medicína, která se snaží nahradit poškozené buňky v lidském těle zdravými orgány. Riziko odmítnutí pacientem je však vysoké a vyžaduje preventivní opatření ze strany lékaře.
To je XXI th století, které technologii bio-tisku. Umožňuje vlastní výrobu tkání nebo orgánů s pacientovými buňkami, čímž se minimalizuje riziko odmítnutí . Skládá se ze souboru složek biologických tkání (buněk) předdefinovaných digitálním designem . Cílem je usilovat o reprodukci trojrozměrné organizace buněk tak, jak to přirozeně dělá lidské tělo. Tato technologie využívá princip 3D vrstvy po vrstvě . Bioprinting je definován jako průlomová technologie, protože je výsledkem shromažďování znalostí ve fyzice , biologii , mechanice a počítačové vědě . Aplikace jsou nyní omezené kvůli nedávnému objevu této technologie, ale z dlouhodobého hlediska jsou očekávané aplikace četné a inovativní.
3D tisk orgánů byl poprvé použit v roce 2003 Thomasem Bolandem z Clemson University, který patentoval použití inkoustového tisku pro buňky. Metoda používala upravený systém pro ukládání buněk v trojrozměrných polích umístěných na substrátu.
Od prvních Bolandových experimentů vzrostl 3D tisk biologických struktur, známý také jako bioprinting . Byly vyvinuty nové tiskové techniky, například vytlačovací tisk .
Tiskový orgán byl rychle viděn jako potenciální řešení globálního nedostatku orgánů k transplantaci. Tištěné orgány již byly úspěšně transplantovány. Zejména tkáně, jako je kůže , vaskulární tkáně, jako jsou krevní cévy , nebo duté orgány, jako je močový měchýř . Umělé orgány se nejčastěji vyrábějí z vlastních buněk příjemce, což eliminuje problémy spojené s rizikem odmítnutí.
Dojem složitějších orgánů je předmětem intenzivního výzkumu po celém světě. Například na srdce , slinivku břišní , játra nebo ledviny . Na začátku roku 2017 tento výzkum ještě nevedl k transplantaci.
3D tisk na výrobu umělých orgánů se stal hlavním předmětem studia biologického inženýrství. Jak jsou techniky výroby 3D tisku stále efektivnější, jejich použitelnost v syntéze umělých orgánů je stále zřetelnější. Hlavními výhodami 3D tisku je jeho schopnost hromadně vyrábět složité přizpůsobitelné struktury a také vysoký stupeň dosažené anatomické přesnosti. 3D bioprinting nabízí bezprecedentní všestrannost pro umístění buněk a biomateriálů s přesnou kontrolou jejich složení, prostorového rozložení a architektonické přesnosti, což umožňuje podrobnou nebo dokonce osobní rekonstrukci konečného tvaru, struktury, mikrostruktury a architektury tištěných tkání a orgánů.
Ve srovnání s nebiologickým 3D tiskem indukuje 3D bioprinting další úrovně složitosti, jako je výběr materiálů, buněčný typ, faktory růstu a diferenciace a technické výzvy související s buněčnými citlivostmi. Bydlení a tvorba tkání.
Tisk orgánů pomocí 3D tisku lze provádět pomocí různých technik, z nichž každá poskytuje specifické výhody, které lze přizpůsobit konkrétním typům výroby orgánů.
Tradiční přístup tkáňového inženýrství spočíval v naočkování buněk na lešení matric, tj. Silné podpůrné struktury zahrnující propojenou síť pórů. Tato struktura by měla udržovat tvar a mechanické vlastnosti syntetizované tkáně a pomáhat při navazování buněk tím, že poskytuje substrát pro buněčnou proliferaci. Technologie 3D tisku je nedávnou inovací, která umožňuje současné očkování živých buněk a vytvoření struktury biomateriálů ve vrstvách.
Tyto tři nejpoužívanější 3D bioprinting techniky jsou laserový tisk techniku, mikro- vytlačování technika a inkoustové technologie. Kromě těchto technik tým vědců v Cambridge vyvíjí akustickou tiskárnu, kde vlny vibrují bio-inkoustem, což způsobí vystřikování kapiček s přesností velikosti buňky. Dnes na internetu najdete vysvětlení, jak si vyrobit vlastní bio-tiskárnu z kancelářské tiskárny typu HP, jak je uvedeno na webu TeVido BioDevices.
Každá z těchto technik má výhody a nevýhody pro tvrdý biologický tkáňový tisk a orgánové inženýrství. Mezi tvrdé tkáně lidského těla patří kosti, zuby a chrupavka a jsou tvořeny určitými jedinečnými typy buněk a významnou částí organických a anorganických extracelulárních matric.
Tato nejnovější technologie vyžadovala 10 let výzkumu v INSERM v Bordeaux. Tato technika funguje na principu laseru. Laser je směrován pomocí zrcadla, prochází čočkou, poté zaostřen, zasáhne krycí sklíčko, na které je umístěn film biologického inkoustu. Během interakce laser / kazeta dopadají mikroskopické kapky obsahující malý počet buněk na podložku s přesností 5 mikronů. Tisk je docela rychlý. Pokusy dokonce ukázaly, že to funguje na myších díky tisku in vivo (přímo na kůži živé bytosti). Vzory buňky se získávají laserovým skenováním rychlostí 10 000 pulsů za sekundu, přičemž každý pulz generuje mikro kapičku. Tato technologie je jediná s rozlišením řádu jednoty (buňka po buňce) až 50 buněk na mikro kapku. Tato přesnost umožňuje reprodukovat složité biologické tkáně ve 3 rozměrech, jako jsou vzorky kůže.
Laserový tisk kombinuje rozlišení a hustotu (přibližně 108 buněk / ml biologického inkoustu) a nabízí řadu výhod. Tři z výhod laserového biotisku jsou životaschopnost buněk vyšší než 95%, snížený odpad a žádné mechanické namáhání. Důvodem je krátkost pulzů, několik nanosekund, která minimalizuje zahřívání buněk a snižuje jejich „stres“. Životaschopnost tištěných tkání však závisí na namáhání vyvíjeném na buňky. Je důležité, aby buňky byly „degradovány“ co nejméně.
Je však třeba ještě vylepšit některé faktory, protože stroj ještě neumožňuje dobře uspořádané stohování mnoha buněčných vrstev, doba přípravy je vysoká a náklady na tisk také.
Tato technologie se používá zejména v kutilských tiskárnách od společnosti Tedivo Biodevices. Právě na této technologii pracuje univerzita v Manchesteru v Anglii. Inkoustová tiskárna pracuje s tiskovou hlavou, která promítá mikro kapičky kapaliny obsahující buňky (bio-inkoust). Vysunutí kapiček je způsobeno tepelným (tepelným) nebo piezoelektrickým procesem (elektrická polarizace inkoustu působením mechanického namáhání). Inkoust je kapalný při 20 °, ale želatinuje při teplotě 36 °. Tento proces se nejvíce podobá plastovým 3D tiskárnám.
Tato technologie je cenově nejdostupnější a nejsnadněji použitelná s minimální dobou instalace a nízkými náklady. Doba tisku je nízká a životaschopnost buněk je vyšší než 85%, ale rozlišení je špatné, což má za následek špatný vývoj buněk. Kromě toho je hustota je také obtížné parametr pro řízení, je často příliš nízká nebo dokonce velmi nízký (přibližně 10 6 buněk / ml, zejména 100 krát nižší než pro laserové tiskárny). Díky těmto nevýhodám je v tuto chvíli nevhodný pro tisk složitých látek, používá se pouze k tisku vzorů díky buňkám, které se mají tisknout.
Microextrusion (také volal bioextrusion ) je jediná metoda, která začala být průmyslově americká společnost Organovo (in) s tiskárnou Novogen MMX, který byl vyvinut ve spolupráci s University of Missouri a vývoje v roce 2005.
Tato tiskárna pracuje se dvěma tiskovými hlavami. Jeden ukládá gel a druhý buňky. Buňky jsou natlačeny do mikroinjekční stříkačky a naneseny pomocí jehly. Vrstvy se ukládají střídavě, vrstva hydrogelu (vodní směs) a poté vrstva buněk. Hydrogel se používá ke strukturování sestavy vrstev buněk, podobně jako na lešení. Hydrogel se rozpustí během fáze zrání, přičemž buňky se spojí. Bioextruze umožňuje získat vysokou hustotu, ale s průměrným rozlišením (v rozmezí od 5 mikrometrů do několika milimetrů na šířku). Doba přípravy je průměrná ve srovnání s jinými technikami, ale s vyšší dobou tisku (velmi pomalá). Cena tohoto typu tiskárny je průměrná a životaschopnost (schopnost „přežít“ po tisku a během fáze zrání) buněk se pohybuje mezi 40 a 80%, tato míra je ve srovnání s jinými technikami nízká a tento aspekt zůstává. být vylepšen.
Tyto techniky mají dnes omezené možnosti, ale někteří vědci hledají „hybridní tiskárny“. Tato technika zůstává ve zkušební fázi, ale ve Spojených státech se vědcům podařilo spojit dojem buněk a ukládání biologicky rozložitelného polymeru (látka složená z molekul charakterizovaných opakováním jednoho nebo více atomů nebo skupin atomů, které mohou být přirozené , syntetická nebo umělá) tvořící chrupavku.
Na trhu existují různé biotiskárny. Ceny se pohybují od 10 000 $ za BioBot 1 do 200 000 $ za 3D-Bioplotter od EnvisionTec. Očekává se, že biotiskárna Aether 1 bude dodávána od roku 2017 za cenu 9 000 USD. V praxi vědci často vyvíjejí své vlastní experimentální biotiskárny.
V oblasti regenerativní medicíny došlo v posledních desetiletích k významnému pokroku ve schopnosti produkovat funkční náhražky biologických tkání. I když již po více než deset let byly živé buňky a biomateriály (obecně hydrogely ) vytištěny díky bioprintingu, zůstávají klasické přístupy založené na realizaci extracelulárních matric a mikroinženýrství v jejich rozsahu omezené. Schopnost produkovat tkáně s přesnou biomimetikou vlastnosti .
V roce 2013 společnost Organovo vyrobila lidská játra pomocí technik bio-tisku. Orgán však nebyl vhodný k transplantaci a byl používán hlavně jako prostředek k testování na přítomnost drog.
Bioprinting již umožňuje vytvářet živé struktury. Buněčná živá hmota je potištěna v mnoha laboratořích po celém světě, buněčné tkáně jsou životaschopné a biotisk neovlivňuje buněčnou diferenciaci. Některé z těchto technik byly s jistým úspěchem použity v lékařské terapii. 3D bioprinting již byl použit pro výrobu a transplantaci několika tkání, včetně vícevrstvé kůže, kostí , cévních štěpů, tracheálních protéz , srdeční tkáně a struktur chrupavky .
Tisk složitých orgánů je předmětem intenzivního výzkumu po celém světě. Například na srdce , slinivku břišní , játra nebo ledviny . Na začátku roku 2017 tento výzkum ještě nevedl k transplantaci.
V květnu 2017 vědci použili biotisk k produkci myších vaječníků. Sterilní myši s implantovaným umělým vaječníkem byly schopny normálně ovulovat, porodit a krmit zdravé myši. Studie je první, kdo takového výsledku dosáhl pomocí 3D tisku.
Vědcům se podařilo vytisknout různé struktury a typy buněk: vícevrstvy keratinocytů (buňky povrchové vrstvy kůže a kůže : nehty, vlasy, vlasy) a kolagen .
V roce 2010 se laboratoři v Bordeaux podařilo tisknout kostní buňky (umožňující obnovu a konsolidaci kostní tkáně) přímo na lebku živé myši propíchnuté malým otvorem. V případě tisku přímo na pacienta se to označuje jako tisk in vivo. Vědci použili stejný princip k tisku části kosti a části kůže odstraněním mezenchymálních buněk vytištěných poté. Mezenchymální buňky mohou produkovat několik typů buněk, které jsou součástí kosterní tkáně, jako jsou chrupavky, kosti a tuk. Nacházejí se v mezenchymu embrya a ve velmi malém množství u dospělých. Lékař Fabien Guillemot komentoval první testy na myších: „Získané výsledky jsou velmi přesvědčivé. Vytištěné buňky si zachovaly všechny své funkce a rozmnožovaly se až dva měsíce po tisku. První subjekty vykazovaly známky uzdravení “. Stejný výsledek pro Hanover Laser Center v Německu: tkáň opravuje ránu zvířete bez jakéhokoli odmítnutí.
Americká společnost Organovo uvádí na trh tištěné vzorky kůže určené pro lékařský výzkum. Tyto funkční organické tkáně používají farmaceutické laboratoře k testování účinků léčby a jejich dopadu na nemoci. Společnost také tiskne modely nemocných tkání, aby lépe porozuměla chorobám a jejich vývoji. Cílem je také být schopen otestovat účinnost molekul léčiva a snížit náklady na klinické studie. Velké kosmetické skupiny také používají vzorky k hodnocení toxicity péče před uvedením na trh a k nalezení alternativy k testování na zvířatech, které je v Evropě od roku 2013 zakázáno .
Byly vyvinuty nové techniky k překonání problému vaskularizace tištěných tkání. Jedna technika například tiskne měkké tkáně obsahující kolagen a další biologická vlákna v hydrogelovém nosiči . Potištěná tkanina se poté získá roztavením nosiče bez poškození buněk a struktury. Na základě tohoto principu již byly úspěšně vytištěny modely femuru , koronárních tepen , cév a srdce embrya. Tyto buněčné tkáně jsou potřebné k okysličování orgánů, ale dosud nebyly testovány na lidech a neumožňují úplnou vaskularizaci orgánů, jako jsou játra , plíce nebo srdce .
Díky pokroku v oblasti vaskularizace je nyní možné vytvářet miniaturní orgány. Například společnost Organovo experimentovala s tiskem různých typů složitých tkání, jako jsou kousky plic a srdečního svalu. Podařilo se jí vyrobit kousek ledviny (1 mm silný a 4 mm široký), který přežil 5 dní mimo laboratoř. Také vytvořili rekonstituovanou lidskou játra, která zůstala funkční po dobu 40 dnů. Tento vzorek jater (3 mm 2 o tloušťce 0,5 mm ) uspěl v produkci enzymů , proteinů a cholesterolu, které díky výměnám, které se mohly uskutečnit, znásobily životnost orgánu. Podobně čínští vědci vyvíjejí ledviny, jejichž životnost je v současné době omezena na 4 měsíce.
"Musíme pokračovat ve výzkumu a shromažďovat další informace, ale skutečnost, že se tkáň chová jako játra, naznačuje, že se bude chovat jako játra, až ji začneme testovat na drogách." Říká Keith Murphy, generální ředitel společnosti Organovo. Společnost Organovo nedávno uvedla na trh jaterní tkáň, která zůstává funkční po dobu nejméně 42 dnů. Tyto vzorky orgánů jsou určeny pro lékařský výzkum. Žádná z těchto částí však dosud nebyla začleněna do živých organismů.
V říjnu 2016 , Harvard výzkumníci bio-vytištěny jako první na světě srdce-on-a-chip s vestavěným čidlem. Zařízení, které je mikrofyziologickým systémem, napodobuje chování lidské tkáně. Toto dokončení je nejsofistikovanější orgán na čipu, a to i ve srovnání s plícemi, jazyky a střevy na čipu, které tento tým také vyrábí. Vývoj této bio-tištěné aplikace orgán na čipu by mohl snížit závislost lékařského výzkumu na experimentech na zvířatech.
Vědci z University of Cambridge (Anglie) oznámili svou schopnost znovu vytvořit nervové buňky v sítnici krysy pomocí biotiskárny. Tiskárna je schopna kombinovat patrony gangliových buněk a patrony gliálních buněk z kmenových buněk krysy. Tato transplantace umožnila zvířeti získat zpět velkou část zrakové ostrosti a zároveň eliminovat riziko odmítnutí. A v dubnu 2013 vytvořili vědci z Princetonské univerzity dojem bionického ucha : kombinuje organické buňky a nanočástice s anténou tvarovanou do chrupavky. Takto vyrobené ucho umožňuje slyšet rádiové frekvence neslyšitelné přirozeným lidským uchem.
Vědci z Kolumbijské univerzity pracují na vytvoření zubů a kloubů s biotiskem. Tento tým například implantoval řezák vytvořený z 3D struktury vytištěné v čelisti krysy. Během dvou měsíců implantát umožnil růst vazů, které podporují zuby a nově vytvořené kosti. Tým vědců také implantoval biologicky potištěné kyčelní kosti králíkům, kteří po několika týdnech začali chodit se svými novými klouby.
Přestože došlo k průlomům v produkci potiskovatelných orgánů, klinická implementace, zejména s ohledem na složité orgány, vyžaduje další výzkum a vývoj. Proliferaci buněk nezbytné pro biologickou zobrazení se provádí v umělém a řízeném prostředí, které je prosté přírodních biologických markerů a procesů. Absence těchto vlastností často brzdí vývoj vhodné morfologie a diferenciace buněk . Pokud jsou přítomny, tyto podmínky by umožnily potištěnému orgánu přesněji napodobit podmínky in vivo a přijmout adekvátní strukturu a funkci na rozdíl od biologického růstu navrženého jako jednoduché lešení vytvořené z buněk. Mezi technické výzvy, které je třeba vyřešit, patří:
V dubnu 2017 se týmu vědců z University of California podařilo vyrobit předvaskularizované tkáně s komplexními trojrozměrnými mikroarchitekturami metodou „mikrometrický kontinuální optický bioprinting“ (μCOB). Implantace potištěných tkání in vivo prokázala přežití a progresivní tvorbu endoteliální sítě v předvaskularizované tkáni.
GravitaceVědci jsou nuceni tisknout orgány a buněčné tkáně v po sobě jdoucích vrstvách buněk kvůli gravitaci . Podle nich, pokud tiskneme orgány v pseudo stavu beztíže, například pomocí magnetického pole , buňky by mohly být umístěny správně a bez deformace.
Profesor Vladimir Mironov a jeho tým vědců uzavřeli dohody o tom, že testy budou provedeny na palubě Mezinárodní vesmírné stanice .
Abychom čelili tomuto gravitačnímu jevu, měl tým profesora Adama Feinbergona myšlenku ukládat buňky do hydrogelové kostky (želatinové kostky na bázi vody). Takto uložené buňky zůstávají v hydrogelu v suspenzi, což jim dává čas na vytvoření dostatečných buněčných spojení, aby se vytvořený orgán nezdeformoval. Gel se rozpustí ve vodě při tělesné teplotě ( 37 ° C ). Po navázání spojení proto stačí ponořit hydrogelovou kostku do vody o teplotě 37 ° C, aby se získal neporušený orgán .
Složitá organizaceTým vědců z INSERM Bordeaux si klade za cíl znovu vytvořit funkční ledvinu. Za to se rozhodli netisknout to vrstvu po vrstvě, ale kousek po kousku . Vzhledem ke složité organizaci ledvin, která znemožňuje tisk vrstvy po vrstvě, chce tým INSERM nejprve vytvořit glomeruly, které by pak mohly být sestaveny, aby se vytvořily nefrony , které se samy sestaví a vytvoří funkční ledvinu.
Pluripotentní buňkyV roce 2012 japonský výzkumník Shinya Yamanaka úspěšně vytvořil funkční pluripotentní kmenové buňky z diferencovaných buněk, jako jsou kožní buňky. Po sedmi letech výzkumu a testování na myších japonský výzkumník skutečně zjistil, že převzetím genů, které kódují nediferenciaci pluripotentních kmenových buněk, a jejich umístěním do genetického dědictví diferencované buňky, se toto stane pluripotentní. Tento objev mu vynesl Nobelovu cenu za medicínu . Díky tomu je proto možné vytvořit kulturu pluripotentních kmenových buněk specifických pro jednotlivce, a to dokonce i bez vzorku kostní dřeně.
Tyto diferencované buňky se přeprogramovaly na kmenové buňky iPS buňky označené anglicky indukovanými pluripotentními kmenovými buňkami nebo buňkami indukovanými pluripotentními kmenovými francouzštinami.
V roce 2017 zůstávají úspěchy biologické tiskárny omezené, vědci se snaží zdokonalit a vyvinout stávající techniky. Hypotéza o funkční technologii biotisku by nabídla mnoho vyhlídek na aplikace.
Hlavním cílem zůstává chirurgická transplantace . Tisk orgánů z buněk příjemce také pomáhá vyhnout se riziku odmítnutí . To by zachránilo tisíce životů, snížilo náklady na lékařskou péči a uspokojilo stále rostoucí požadavky na orgány. Upozorňujeme, že počet žadatelů o orgány se mezi lety 2006 (12 531 žadatelů) a 2014 (20 311) téměř zdvojnásobil. Ale dostat se tam vyžaduje čas a zkušenosti, protože musíte vytvořit komplexní vaskularizaci, abyste okysličili a dodali orgánu. A v současné době je obtížné doplnit složité krevní cévy. Vytvořené orgány jsou také životaschopné pouze po omezenou dobu a v současné době mají nepatrnou velikost. U lidí jsou pak nepoužitelné. K vytvoření a reakci na nedostatek orgánů bude nutné počkat ještě několik let.
Cílem potisku kůže je zejména schopnost léčit těžké popáleniny vytvářením tkání přizpůsobených poranění pacienta. V současné době se transplantace provádějí odstraněním nepoškozené tkáně z těla pacienta ( autotransplantát ) nebo použitím darované kůže. Tato operace je často bolestivá nebo schválená odmítnutím imunitním systémem . Podle D r Marc Jeschke : „90% popálenin se vyskytuje u lidí s nízkým a středním příjmem, s vyšší úmrtností a nemocností v důsledku špatně vybavených systémů zdravotní péče a nedostatečného popálení v zařízeních péče. Regenerace pokožky pomocí vlastních kmenových buněk pacienta může významně snížit riziko úmrtí v rozvojových zemích. ". Je třeba poznamenat, že počet transplantací ve Francii roste: 4 428 v roce 2006 a 5 357 v roce 2014, ale tato čísla zůstávají ve srovnání s žádostmi velmi nízká, protože pouze čtvrtina v roce 2006 a něco více než třetina v roce 2014 mohla být transplantovaný.
Zlepšení a šíření tiskáren by umožnilo tisknout jednotlivé buněčné tkáně z pacientových kmenových buněk, aby je naroubovaly na druhé. Poté s instalací biologických tiskáren v nemocnicích k tisku živé tkáně na vyžádání a na vyžádání. Předpokládá se ale také přímý tisk tkání na nebo do lidského těla tiskem řady vrstev buněk: produkce štěpů, tkání, které lze implantovat přímo do pacienta. Takže biotisk by byl řešením pro vytvoření tkáně z buněk pacienta.
Bio-tištěné protézy: tisk pomocí biomateriálů protéz a implantátů by omezil riziko odmítnutí a infekce příjemce. Vědci se k dosažení tohoto cíle spoléhají na pomoc plně biologických materiálů a kmenových buněk. Pamatujte, že tento typ transplantace by se používal pouze u určitých patologií, jako jsou tracheostomie , které zanechávají vážné následky, jako je ztráta řeči a vysoké riziko infekce.
Bioprinting umožňuje vyrábět biologické tkáně pro experimenty v lékařském, farmaceutickém a toxikologickém výzkumu. Cílem je vytvořit individualizované tkáně vyrobené z buněk pacienta, které umožní vybrat in vitro ošetření z těchto tkání a vyvinout individuální terapeutická řešení. "Jedním z hlavních problémů, kterým tyto společnosti čelí, spočívá ve schopnosti velmi přesně posoudit toxicitu nových způsobů léčby na lidských buňkách, konkrétněji v játrech." Ve skutečnosti bylo v letech 1990 až 2010 25% léčby buď staženo z trhu, nebo selhalo ve fázi 3 kvůli toxickým účinkům na játra. “ Tento typ aplikace by také mohl vést ke snížení nákladů na výzkum.
Například v oblasti rakoviny : díky 3D rekonstrukci samotných pacientových tkání (s přihlédnutím k buněčnému prostředí nádoru) by bylo možné testovat chemoterapie . Sériový tisk rakovinných nádorů by vědcům umožnil testovat sloučeniny a zaměřit se tak na nejúčinnější molekuly pro danou mutaci. Pro tyto testy se v tuto chvíli používají jako morčata pacienti. Současná doba vývoje léčby je dlouhá a mohla by být urychlena biotiskem nemocné tkáně.
Použití biologicky potištěných tkanin by mohlo snížit náklady a proces výzkumu a vývoje nových úprav. Podle studie „mezi lety 1997 a 2011 utratilo 12 nejlepších farmaceutických společností 802,5 miliard dolarů na výzkum a vývoj, aby konečně schválilo 139 nových léčebných postupů. Proces uvedení jedné drogy na trh proto stál v průměru 5,77 miliardy USD. Jinými slovy, 40% investovaných peněz neumožnilo překročit laboratorní fázi “. Kosmetické a farmaceutické společnosti poskytují významnou finanční podporu výzkumným laboratořím pro bioprinting.
Tisk in vivo znamená přímý tisk tkáně od pacienta. Například BioPen, který je schopen opravit zlomeniny a rány injekcí směsi kmenových buněk biopolymerním gelem (extrakt z řas: proteiny, které urychlují regeneraci). Tato směs je kombinována v BioPenu, poté stačí na vrstvu chybějící kosti nebo chrupavky navrstvit po sobě následující vrstvy, aby se vyplnila poškozená oblast. Ultrafialový zdroj připojený k peru látku okamžitě zpevní. V průběhu doby se ochranný gel degraduje a buňky se množí a disociují, aby se z nich staly nervové, svalové a kostní buňky, dokud nebude oblast opravena. Tato technika umožňuje větší přesnost a zkracuje dobu chirurgického zákroku. Objevilo se to na University of Wollongong v Austrálii a laboratorní testy jsou přesvědčivé, ale klinické testy začnou brzy v nemocnici svatého Vincence v Melbourne. Potom bude možná možné zlomeninu okamžitě opravit a proč ne také opravit kůži a orgány. In vivo tisk byl testován zejména na těžkých popáleninách s nadějí, že bude například schopen léčit vážná zranění vojáků přímo na bojišti.
Americký startup Modern Meadow (v) shromáždil 350 tisíc dolarů, aby vytvořil 3D tiskárnu schopnou tisknout maso. Tato technologie by mohla zabránit zabíjení zvířat za účelem krmení lidí a učinit výrobu masa ekologičtější a hospodárnější.
Implantace protéz by mohla zvýšit průměrnou délku života člověka tím, že nahradí části těla a dokonce vytvoří nadlidské orgány, jako je bionické ucho vytvořené vědci z Princetonské univerzity.
Jelikož je biotisk relativně nedávnou technologií a dosud není kompletní, jeho právní aspekty stále obsahují velké problémy. To zahrnuje předpisy , patenty , patentové záležitosti i právo duševního vlastnictví .
Bioprinting (a většina bio-výrobních technik obecně) dosud není pro širokou veřejnost přístupný. Řešení navrhovaná ohledně různých právních problémů této technologie v následujících odstavcích jsou tedy pouze návrhy.
Zásah státu do výzkumu a regulačních aspektů nových technologií je pro jejich budoucnost zásadní. Pokud jde o biotisk, příliš restriktivní regulace by mohla vést k vytvoření černého trhu s tištěnými orgány. Protože pokud je přístup k funkčním produktům s biotiskem příliš obtížný, mohlo by to skutečně vytvořit sekundární trh, na kterém není zaručena ani služba, ani kvalita produktu.
Následující návrhy pocházejí od Jaspara L. Trana a jsou převzaty z jeho článku „ Na bioprint nebo ne na bioprint “:
ZákazNejjednodušším řešením by bezpochyby byl zákaz všech činností kolem biologického tisku, ale to bude mít za následek ukončení technologie, která má potenciál dlouhodobě zachránit mnoho lidských životů. Dalším řešením by byl zákaz s výjimkou výzkumu a mimořádných událostí. Jedná se o podobné řešení jako předchozí, ale tentokrát s povolením pokračovat ve výzkumu a experimentování. Otázky osob kvalifikovaných k provádění výzkumných prací, zdrojů financování (soukromé / veřejné) atd. zbývá projednat.
SamoregulaceŘešením diametrálně odlišným od zákazu by bylo zavést vůbec žádnou regulaci. Stát se tak spoléhá na své občany a jejich schopnost regulovat trh sami. Je založen na předpokladu, že jednotlivci budou dělat „správné“ a etické věci. V případě biotisku to lze považovat za biotisk, který s sebou nese malé riziko. Stát by tuto technologii mohl i nadále podporovat například vzděláváním a šířením bezpečnostních pokynů pro širokou veřejnost. To by však odstranilo možnost mít patenty na nové vynálezy v této oblasti, což by mohlo snížit rozpočet na výzkum. Vždy existuje možnost financování výzkumu prostřednictvím peněz vybraných z daní .
Udělujte patenty a duševní vlastnictvíTyto patenty a duševní vlastnictví ovládnout jakákoli nová technologie s velkým potenciálem pro komercializaci a bio-tisku je samozřejmě součástí tohoto druhu technologie. Podle jednoho lze identifikovat pět hlavních kategorií, do kterých mohou patřit různé patenty na biotisk:
Musíme být schopni podat patenty na biotisk, abychom mohli podporovat inovace a umožnit vynálezcům získat návratnost jejich investic. Je třeba poznamenat, že bioprinting je stále v plenkách a bez dalšího výzkumu a vývoje bude taková technologie pravděpodobně stagnovat, stejně jako například technologie klonování .
ProblematickýProblémem patentování biotisku je skutečnost, že zákon obecně zakazuje patentování lidského organismu (viz patentovatelnost živých organismů ). V případě bioprotisku to ale není tak jednoduché. Měli byste vědět, že produkt je patentovatelný, pokud je vytvořen člověkem a nevypadá pohodlně v přírodě .
Technicky vše, co souvisí s biotiskem, je výsledkem lidské vynalézavosti a tvorby: výrobní procesy i biotištěné orgány . Těžší důkazem je skutečnost, že biopotištěný produkt se v přírodě přirozeně nevyskytuje. Pokud jsou orgán nebo tištěná tkáň přesnou replikou lidského orgánu nebo tkáně, nelze produkt s biotiskem patentovat. Tištěné textilie tedy, i když jsou velmi podobné lidským tkáním (na funkční úrovni), jsou (prozatím) strukturálně odlišné od těch druhých, což umožňuje jejich patentovatelnost.
Jedním z řešení, které by se mohlo vyhnout různým výzvám a námitkám proti patentovatelnosti produktů s biotiskem, by bylo možné patentovat pouze výrobní procesy a nikoli produkt jako takový.
Bioprinting je předmětem rostoucího zájmu výzkumných pracovníků, o čemž svědčí vědecká literatura , jejíž počet článků na toto téma rychle roste, z 50 v roce 2012 na 202 v roce 2015. Bioprinting je však technologie, která by mohla podnítit mnoho etických debaty a nastolení řady morálních otázek.
V roce 2016 publikovali vědci ze Singapurské národní univerzity článek, který navrhuje metodický a komplexní přístup k podávání etických otázek do centra výzkumu bioprintingu.
Bioprinting je nejnovější a pokročilá technologie, která je potenciálně drahá. Může být přístupný pouze malému zlomku bohatší populace. Nerovný přístup k této technologii by mohl vést k sociální stratifikaci rozdělující populace na základě jejich příjmů a umožňující bohatším žít déle a v lepším zdraví.
Bioprinting je založen zejména na použití kmenových buněk, jejichž výhodou je možnost množení a specializace. V závislosti na původu těchto buněk (embryí) mohou nastat etické a sociální otázky.
Související rizikaPoužití kmenových buněk a intenzivní množení buněk nezbytné pro tvorbu syntetických orgánů naznačují, že nejsou vyloučena určitá rizika buněčné proliferace . Z těchto rizik lze zmínit tvorbu teratomů nebo rakovin, jakož i dislokaci nebo migraci implantátů. Většina studií o biotisku prokázala přesvědčivé krátkodobé výsledky, ale k posouzení dlouhodobých rizik jsou nezbytné studie in vivo .
Debata o embryonálních kmenových buňkách ( ESC )Tyto embrya jsou velmi dobrým zdrojem pluripotentních kmenových buněk pro tkáňové inženýrství, ale shromažďování a používání embryí diskutovaných téma. Tyto debaty jsou ovlivněny zejména kulturními a náboženskými faktory.
Různá postavení náboženstvíV roce 2003 studie publikovaná v časopise Advances in Experimental Medicine and Biology (in) z února 2003 uvádí způsob, jakým různá náboženství vnímají výzkum embryonálních kmenových buněk a terapeutické a reprodukční klonování .
Katolická a pravoslavná zakazovat výzkum CSE a odmítnout všechny formy klonování.
Mezi protestanty přijímají výzkum CSE a terapeutické klonování, pokud jsou prováděny rozumně a eticky, ale odmítají reprodukční klonování.
Tyto muslimové , stejně jako protestanti přijmout výzkumu a terapeutické klonování, za předpokladu, že se tak děje na embryích méně než 4 měsíce. Na druhou stranu odmítají reprodukční klonování.
Tyto Židů , pro jejich část, přijmout výzkum a klonování, pokud je klon je sterilní a embrya se používají kratší než 40 dní.
A konečně, pokud jde o buddhisty , staví se proti výzkumu ESC a také proti terapeutickému klonování. Na druhou stranu akceptují reprodukční klonování za předpokladu, že nedojde k žádné genetické modifikaci.
Rozdíly ve vnímání v závislosti na zemiV roce 2006 byla zveřejněna zpráva ( Za přípustností výzkumu embryonálních a kmenových buněk: podstatné požadavky a procesní záruky ) obsahující srovnávací analýzu platných předpisů týkajících se používání a výzkumu CSE ve více než 50 zemích. regulace terapeutického klonování a výzkumu embryonálních kmenových buněk se v jednotlivých zemích velmi liší.
Terapeutické klonování je ve Francii, Německu, Španělsku, Itálii, Rakousku, Irsku, Izraeli, Švédsku, Belgii, Indii, Kanadě a Austrálii zakázáno. Naopak je povolen ve Velké Británii, Dánsku, Japonsku, Nizozemsku a Koreji. Je vidět, že pozice se v jednotlivých zemích liší navzdory jejich zeměpisné blízkosti, přičemž terapeutické klonování je v Irsku zakázáno, ale povoleno ve Spojeném království.
Většina zemí, které přijaly nařízení zakazující výzkum a používání embryí jako etické ospravedlnění, že je přijatelná pouze jedna z manipulací umožňujících zlepšit podmínky vývoje a zdraví embrya. Tato politika tedy uděluje právní status embryím pouze tím, že povoluje výzkum, z něhož mají embrya prospěch, a ponechává stranou jakýkoli jiný vědecký cíl.
Naopak některé země široce přijímají výzkum embryí a jejich kmenových buněk, protože považují za důležitější snížit utrpení a smrt lidí (na rozdíl od lidských embryí). Tento výzkum je tedy považován a regulován jako terapeutický výzkum. V několika zemích, jako je Švýcarsko, Japonsko, Francie, Brazílie a Island, přijímají výzkum in vitro embryí , pokud tyto přispívají k významnému pokroku v terapeutické oblasti.
Tyto silné rozdíly ve vnímání by mohly silně ovlivnit způsob, jakým by mohl být přijat biotisk. Je proto důležité studovat a brát v úvahu tato vnímání, která jsou složitá a velmi spojená s náboženstvím a kulturou a ovlivněná politikou.