Кіріспе

Жасанды мүшелер жасау әдісі

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.