Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жасанды мүшелер жасау әдісі
Method of creating artificial organs
Органды басып шығару, дәстүрлі 3D-басылымға ұқсас техникаларды пайдаланады, онда компьютерлік модель принтерге жіберіледі, ол 3D нысан жасалғанша пластик немесе балауыздың қабаттамаларын жабады. Органды басып шығаруда принтерде қолданылатын материал – биологиялық үйлесімді пластик. Фармацевтикалық зерттеулерде, сондай-ақ дәрігерлер мен хирургтарды оқытуда қолданылады.
Organ printing utilizes techniques similar to conventional 3D printing where a computer model is fed into a printer that lays down successive layers of plastics or wax until a 3D object is produced. In the case of organ printing, the material being used by the printer is a biocompatible plastic. pharmaceutical research, and the training of physicians and surgeons.
Тарих
Органды басып шығару саласы 1984 жылы ойлап табылған 3D-баспа практикасының негізі – стереолитография саласындағы зерттеулерден туындады. 3D-басылымның алғашқы кезеңінде материалдың беріктігі жеткіліксіз болғандықтан, тозуға төзімді заттар жасау мүмкін болмады. Сондықтан 3D-басылым әртүрлі материалдардан дәстүрлі әдістермен жасалатын болашақ өнімдерді модельдеу үшін қолданылды. Осы кезеңде бір зерттеуші цитоскрипция технологиясын пайдаланып, жасушаларды сақтау үшін модификацияланған HP сия тартқыш принтерін қолданды. Wake Forest ғылым орталығындағы ғалымдар адамның несеп қуығына арналған жасанды қаңқа жасап, оны пациенттің жасушаларымен жапты. Wake Forest-те жасалған несеп қуығынан кейін басқа да органдарды басып шығаруға қадам жасалды. 2002 жылы толыққанды, кішкентай бүйрек басылып шығарылды. Бұл процесте жасушалар субстратқа орналастырылған үш өлшемді матрицаларға модификацияланған нүктелік жүйе арқылы салынды. 2004 жылы тағы бір жаңа биопринтер биобасылым саласында маңызды өзгерістерге әкелді. Басылып шығарылған жүректің анатомиялық құрылымы мен қызметі нағыз жүрекпен бірдей болды. 3D-басылымды қолдана отырып, органдарды басып шығару үшін әртүрлі техникалар қолданылуы мүмкін, олардың әрқайсысы белгілі бір органдарды өндіруге қатысты артықшылықтар ұсынады.
The field of organ printing stemmed from research in the area of stereolithography, the basis for the practice of 3D printing that was invented in 1984. In this early era of 3D printing, it was not possible to create lasting objects because of the material used for the printing process was not durable. 3D printing was instead used as a way to model potential end products that would eventually be made from different materials under more traditional techniques. At this time, a researcher used a modified HP inkjet printer to deposit cells using cytoscribing technology. The scientists at Wake Forest printed an artificial scaffold for a human bladder and then seeded the scaffold with cells from their patient. After the bladder at Wake Forest, strides were taken towards printing other organs. In 2002, a miniature, fully functional kidney was printed. This process utilized a modified spotting system for the deposition of cells into organized 3D matrices placed on a substrate. In 2004, the field of bioprinting was drastically changed by yet another new bioprinter. The printed heart had the correct anatomical structure and function compared to real hearts. Organ printing using 3D printing can be conducted using a variety of techniques, each of which confers specific advantages that can be suited to particular types of organ production.
Функционалдық тінге құрбандық жазу (SWIFT)
Функционалдық тіндерге арналған құрбандыққа шалу (SWIFT) – тірі жасушаларды адам денесіндегі тығыздық деңгейін имитациялайтын етіп тығыз жинау арқылы органдарды басып шығару әдісі. Жиналған кезде қан тамырларын имитациялайтын туннельдер жасалады және осы туннельдер арқылы оттегі мен қажетті қоректік заттар жеткізіледі. Бұл техника бұрын тек жасушаларды жинақтаған немесе қан тамырларын жасаған әдістерді біріктіреді. SWIFT осы екеуін де үйлестіріп, функционалды жасанды органдарды жасауға зерттеушілерді жақындататын жаңа жетістік болып табылады.
Sacrificial writing into function tissue (SWIFT) is a method of organ printing where living cells are packed tightly to mimic the density that occurs in the human body. While packing, tunnels are carved to mimic blood vessels and oxygen and essential nutrients are delivered via these tunnels. This technique pieces together other methods that only packed cells or created vasculature. SWIFT combines both and is an improvement that brings researchers closer to creating functional artificial organs.
Тамшымен биобаспалау (мысықпен)
Тамшылық биобаспалау белгілі бір материалдың тамшыларын пайдаланып жасушалық дамуды жүзеге асырады, олар көбінесе жасуша желісімен үйлестіріледі. Жасушалардың өзі де полимермен немесе полимерсіз осы тәсілмен орналастырылуы мүмкін. Осы әдістерді қолданып полимерлік қаңқаларды басып шығарғанда, әрбір тамшы субстрат бетімен жанасқанда полимерлене бастайды және тамшылар бірігіп, үлкен құрылымға айналады. Полимерлену қолданылатын полимерге байланысты әртүрлі әдістер арқылы жүруі мүмкін. Мысалы, алгинаттың полимерленуі субстраттағы кальций иондарымен басталады, олар сұйық биосияға таралып, берік гельдің қалыптасуына жағдай жасайды. Тамшылық биобаспалау өнімділігі жоғары болғандықтан жиі қолданылады. Дегенмен, бұл оны күрделі органдардың құрылымы үшін тиімсіз етеді.
Drop based bioprinting makes cellular developments utilizing droplets of an assigned material, which has oftentimes been combined with a cell line. Cells themselves can also be deposited in this manner with or without polymer. When printing polymer scaffolds using these methods, each drop starts to polymerize upon contact with the substrate surface and merge into a larger structure as droplets start to coalesce. Polymerization can happen through a variety of methods depending on the polymer used. For instance, alginate polymerization is started by calcium ions in the substrate, which diffuse into the liquified bioink and permit for the arrangement of a strong gel. Drop based bioprinting is commonly utilized due to its productive speed. However, this may make it less appropriate for more complicated organ structures.
Экструзиялық биобаспа
Экструзиялық биобаспаға экструдерден, яғни портативті баспа басынан белгілі бір материалды және жасуша желісін үзбей шығару кіреді. Бұл материалды немесе жасушаларды басқару үшін бақыланатын және берекелі әдіс болып табылады, сондай-ақ 3D тіндер мен органдар құрылымдарын жасауда жасуша тығыздығын арттыруға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл әдістің артықшылықтары баспа жылдамдығының баяу болуымен шектеледі. Экструзиялық биобаспа көбінесе ультракөк сәулемен (УФ-сәуле) үйлестіріледі, ол басылған материалды фотополимерлендіріп, тұрақты және біркелкі құрылымды қалыптастырады. Лазер қажетті нысанның қимасын ұнтақ бетіне түсіріп, оны біріктіріп, қатты нысанға айналдырады.
Extrusion bioprinting includes the consistent statement of a specific printing fabric and cell line from an extruder, a sort of portable print head. This tends to be a more controlled and gentler handle for fabric or cell statement, and permits for more noteworthy cell densities to be utilized within the development of 3D tissue or organ structures. In any case, such benefits are set back by the slower printing speeds involved by this procedure. Extrusion bioprinting is frequently coupled with UV light, which photopolymerizes the printed fabric to create a more steady, coordinated construct. The laser traces a cross section of the shape of the desired object in the powder, which fuses it together into a solid form.
Табиғи полимерлер
3D-басып шығаруға қолданылатын материалдар әдетте альгинат немесе фибрин полимерлерінен тұрады, олар жасушалардың физикалық жабысуын қамтамасыз ететін жасушалық жабысу молекулаларымен біріктірілген. Мұндай полимерлер құрылымдық тұрақтылықты сақтау және жасушалық интеграцияға қабілетті болу үшін арнайы жасалған. "Биоқағаз" термині 3D биобасып шығарумен үйлесімді материалдардың кең классын белгілеу үшін қолданылады. Гидрогель альгинаттары ағзаларды басып шығару зерттеулерінде ең көп қолданылатын материалдардың бірі болып табылады, себебі олар өте бейімделуге жарамды және табиғи тіндерге тән белгілі бір механикалық және биологиялық қасиеттерді имитациялау үшін дәл реттелуі мүмкін. Гидрогельдердің нақты қажеттіліктерге бейімделу мүмкіндігі, оларды әртүрлі тіндер мен мүшелердің құрылымына және физиологиялық жағдайларға сәйкес келетін әмбебап мүшелік құрылымдық материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Альгинатты қолданудағы негізгі қиындық – оның тұрақтылығы және баяу ыдырауы, бұл жасанды гельдік мүшелік құрылымның ыдырауы мен имплантацияланған жасушалардың өзінің клеткадан тыс матрицасымен алмастырылуын қиындатады. Экструзиялық басып шығаруға жарамды альгинат гидрогелі көбінесе құрылымдық және механикалық тұрғыдан нашар болады; алайда, бұл мәселені наноцеллюлоза сияқты басқа биополимерлерді қосу арқылы, тұрақтылықты арттыру жолымен шешуге болады. Альгинат немесе аралас полимер биоқағазының қасиеттерін әртүрлі қолданулар мен мүшелердің түрлеріне қарай өзгертуге болады. Бұл қасиеттердің артықшылықтары бар және 3D биобасып шығарылған мүшенің in vivo имплантацияланғанда жақсы қабылдануын қамтамасыз етеді.
Materials for 3D printing usually consist of alginate or fibrin polymers that have been integrated with cellular adhesion molecules, which support the physical attachment of cells. Such polymers are specifically designed to maintain structural stability and be receptive to cellular integration. The term bio ink has been used as a broad classification of materials that are compatible with 3D bioprinting. Hydrogel alginates have emerged as one of the most commonly used materials in organ printing research, as they are highly customizable, and can be fine tuned to simulate certain mechanical and biological properties characteristic of natural tissue. The ability of hydrogels to be tailored to specific needs allows them to be used as an adaptable scaffold material, that are suited for a variety of tissue or organ structures and physiological conditions. A major challenge in the use of alginate is its stability and slow degradation, which makes it difficult for the artificial gel scaffolding to be broken down and replaced with the implanted cells' own extracellular matrix. Alginate hydrogel that is suitable for extrusion printing is also often less structurally and mechanically sound; however, this issue can be mediated by the incorporation of other biopolymers, such as nanocellulose, to provide greater stability. The properties of the alginate or mixed polymer bioink are tunable and can be altered for different applications and types of organs. These qualities are advantageous and result in high acceptance of the 3D bioprinted organ when implanted in vivo.
Принтерлер түрлері және процестер
Органды басып шығару үшін қолданылатын принтерлердің түрлері: АҚШ-та ғана 100 000-нан астам пациент донорлық органдарды күтіп жатқан трансплантация тізімінде. Донор тізіміндегі науқастар қолайлы мүшелерді алу үшін күндер, апталар, айлар, тіпті жылдар күтуі мүмкін. Кейбір жалпы мүшелерді трансплантациялаудың орташа күту мерзімі: жүрек немесе өкпе үшін төрт ай, бауыр үшін он бір ай, бүйрек үшін екі жыл және бүйрек үшін бес жыл. Бұл 1990-шы жылдармен салыстырғанда айтарлықтай жоғары, онда пациент жүрекке бес апта күте алатын. АҚШ-та күн сайын 20 адам орган күтіп қайтыс болады. Органды басып шығару саласында пациенттер мен хирургтар үшін қолданыстар бар. Мысалы, басып шығарылған органдар анатомияны жақсырақ түсіну және пациенттермен емдеу жоспарын талқылау үшін құрылым мен зақымдануды модельдеу үшін қолданылған. Мұндай жағдайларда органның функционалдығы қажет емес және концепцияны дәлелдеу үшін қолданылады. Бұл модельдік органдар хирургиялық техниканы жақсартуға, тәжірибесіз хирургтарды оқытуға және пациентке қатысты емдеуге көмектеседі. Чиптегі органдар ауру модельдерін жасауға, жаңа дәрілерді табуға және жоғары өнімділіктегі зерттеулер жүргізуге пайдалы. Жаңа «дене чипінде» бауыр, жүрек, өкпе және бүйрек бар. Чиптегі органдар жеке-жеке басып шығарылады немесе құрастырылады, содан кейін біріктіріледі. Бұл платформаны пайдалану арқылы дәрі-дәрмектердің уыттылығын жоғары өнімділікпен зерттеу жүргізіледі, бұл шығындарды төмендетіп, жаңа дәрілерді табу процесінің тиімділігін арттырады. Атап айтқанда, бұл емдеу әдісі үшін клиникалық алдындағы зерттеулерден клиникалық қолдануға ауысу кезінде құқықтық қиындықтар туындауы мүмкін.
The types of printers used for organ printing include: In the United States alone, there are over 100,000 patients on the organ transplant list waiting for donor organs to become available. Patients on the donor list can wait days, weeks, months, or even years for a suitable organ to become available. The average wait time for some common organ transplants are as follows: four months for a heart or lung, eleven months for a liver, two years for a pancreas, and five years for a kidney. This is a significant increase from the 1990s, when a patient could wait as little as five weeks for a heart. In the United States, 20 people die everyday waiting for organs. In the field of organ printing, applications can be applied for patients and surgeons. For instance, printed organs have been used to model structure and injury to better understand the anatomy and discuss a treatment regime with patients. For these cases, the functionality of the organ is not required and is used for proof of concept. These model organs provide advancement for improving surgical techniques, training inexperienced surgeons, and moving towards patient specific treatments. These organs on chips have the potential to be used for disease models, aiding in drug discovery, and performing high throughput assays. The new body on a chip platform includes liver, heart, lungs, and kidney on a chip. The organs on a chip are separately printed or constructed and then integrated together. Using this platform drug toxicity studies are performed in high throughput, lowering the cost and increasing the efficiency in the drug discovery pipeline. Specifically, there can be legal complications from pre clinical to clinical translation for this treatment method.
Реттеу
Қазіргі уақыттағы американдық органдарды сәйкестендіру ережесі 1984 жылы қабылданған Ұлттық орган трансплантациясы туралы заңнан кейін мүшелер донорының ұлттық тізіліміне негізделген. 2016 жылы FDA аддитивті өндірілген құрылғылар үшін техникалық ескертулерге қатысты жобалық нұсқаулық шығарды және қазіргі уақытта 3D-басылған құрылғылар бойынша жаңа ұсыныстарды бағалап жатыр. Дегенмен, технологияның өзі FDA-ның оны тікелей енгізуіне жеткілікті деңгейде дамымаған. Бұрын айтылған жасушалық көздерді де ескеру қажет. Органды басып шығару жануарлар зерттеулерін және сынақтарын азайтуы немесе тоқтатуы мүмкін, бірақ автологты және аллогенді көздердің этикалық мәселелеріне қатысты сұрақтар тудырады. Атап айтқанда, эксперименттік сынақтан өтетін адамдар үшін болашақ тәуекелдерді зерттей бастады. Қазіргі уақытта бауыр, бүйрек және өкпелер сияқты қолжетімді органдардың жетіспеушілігі байқалады. Өмірді сақтайтын органдарды алу үшін ұзақ күтетін кезең АҚШ-та өлімнің басты себептерінің бірі болып табылады, жыл сайынғы өлімнің шамамен үштен бірі ағза трансплантациясы арқылы кешіктірілуі немесе алдын алуға болар еді. Негізгі иесінің қантамыр тінінен қабылданатын қантамыр жасалды. Жануарлармен сынақтар макияжтан бастап медициналық құралдарға дейінгі өнімдердің қауіпсіздігін анықтау үшін қолданылады. Косметикалық компаниялар жаңа өнімдерді теріде сынап көру үшін кішігірім ұлпа модельдерін пайдаланып жатыр. Органды басып шығарудың қосымша әсеріне ұлпа модельдерін жылдам жасау қабілеті кіреді, бұл өнімділікті арттырады. Қоректік заттардың, оттегінің және қалдықтардың тасымалдануын қамтамасыз ету үшін дұрыс қан тамырларын жобалау қажет. Қосымша қиындықтарға синтетикалық органдардың ұзақ мерзімді тірі қалу қабілетін және биологиялық үйлесімділігін тексеру үшін клиникалық сынақтарды жобалау кіреді. Органды басып шығару саласында көптеген жетістіктерге қол жеткізілгенімен, тағы да зерттеулер жүргізу қажет.
The current American regulation for organ matching is centered on the national registry of organ donors after the National Organ Transplant Act was passed in 1984. In 2016, the FDA issued draft guidance on the Technical Considerations for Additive Manufactured Devices and is currently evaluating new submissions for 3D printed devices. However, the technology itself is not advanced enough for the FDA to mainstream it directly. The cell sources mentioned previously also need to be considered. Organ printing can decrease or eliminate animal studies and trials, but also raises questions on the ethical implications of autologous and allogenic sources. More specifically, studies have begun to examine future risks for humans undergoing experimental testing. There is currently a shortage of available organs, including liver, kidneys, and lungs. The lengthy wait time to receive life saving organs is one of the leading causes of death in the United States, with nearly one third of deaths each year in the United States that could be delayed or prevented with organ transplants. The bladder was formed from the host's bladder tissue. Animal testing is used to determine the safety of products ranging from makeup to medical devices. Cosmetic companies are already using smaller tissue models to test new products on skin. An additional impact of organ printing includes the ability to rapidly create tissue models, therefore increasing productivity. Designing a correct vasculature is necessary for the transport of nutrients, oxygen, and waste. Additional challenges include designing clinical trials to test the long term viability and biocompatibility of synthetic organs. While many developments have been made in the field of organ printing, more research must be conducted.