De l'impression 3D à l'impression 3D d'organes, à quelle distance l'humain est-il de l'impression de la vie ?

Des années 1980 à aujourd'hui, l'impression 3D a parcouru un long chemin. L'impression 3D biologique, en tant que branche importante de l'impression 3D, a fait de grands progrès depuis qu'elle a été proposée vers 2000.

Bien sûr, l'impression 3D biologique a également de nombreux niveaux, y compris la fabrication de structures sans exigences de biocompatibilité, comme l'impression 3D de produits pour la planification de trajectoires chirurgicales, qui sont largement utilisés à l'heure actuelle, la fabrication de produits non dégradables avec des exigences de biocompatibilité, comme les joints en alliage de titane, des prothèses en silicone pour la réparation des défauts et la fabrication de produits dégradables avec des exigences de biocompatibilité, tels que l'os céramique actif et les stents vasculaires dégradables, mais le plus important et le plus concerné est l'impression 3D d'organes qui manipulent des cellules vivantes pour construire des tissus tridimensionnels bioniques.

En raison du désir humain de prolonger la vie, on peut dire que l'impression d'organes est un rêve de l'humanité depuis des milliers d'années et que l'impression de la vie est le souhait ultime de l'humanité. Maintenant, les gens essaient de se précipiter vers le souhait ultime de l'humanité.

Pourquoi ai-je besoin de l'impression 3D d'organes ?

La réalisation de l'impression 3D biologique est étroitement liée à l'ingénierie tissulaire et à la médecine régénérative. La régénération tissulaire est la fin, tandis que l'ingénierie tissulaire est le moyen.

Parmi eux, le concept d'ingénierie tissulaire a été proposé par Feng Yuanzhen, un scientifique sino-américain, et a été déterminé par la National Science Foundation des États-Unis en 1987. L'ingénierie tissulaire fait référence au dépôt de cellules sur des échafaudages biologiques pour former des complexes de matériaux cellulaires, et puis implanter des échafaudages contenant des cellules dans le corps pour induire la formation de tissus ou d'organes correspondants en utilisant l'environnement in vivo, de manière à obtenir une réparation de plaie et une reconstruction fonctionnelle. La méthode conventionnelle d'ingénierie tissulaire consiste à séparer la fabrication d'échafaudages de l'adhésion cellulaire, mais il est difficile de réaliser le dépôt de différents types et densités de cellules à différentes positions d'échafaudages. L'impression 3D biologique peut réaliser une manipulation directionnelle spatiale multicellulaire et un dépôt contrôlable de différentes densités cellulaires, ce qui résout simplement les difficultés actuelles rencontrées par l'ingénierie tissulaire.

Pendant longtemps, la fabrication de tissus ou d'organes actifs in vitro a été l'objectif d'une quête inlassable. D'une part, il existe un énorme fossé dans la transplantation d'organes. Jusqu'à présent, de nombreux problèmes médicaux, tels que l'insuffisance rénale et les tumeurs malignes, sont encore traités par la transplantation d'organes. Cependant, il y a toujours eu une pénurie de donneurs dans la transplantation d'organes allogéniques. Tant au niveau national qu'international, en raison d'un don d'organes insuffisant, le taux de réussite de l'appariement n'est pas élevé et les patients qui ont besoin d'une greffe d'organe ne peuvent qu'attendre.

Aux États-Unis, selon le United States Organ Resource Sharing Network (UNOS), un patient meurt toutes les 1,5 heures parce qu'il ne peut pas attendre une greffe d'organe appropriée, et plus de 8 millions de patients ont besoin d'opérations liées à la réparation des tissus chaque année. En Chine, selon les statistiques, environ 1,5 million de personnes ont besoin d'une transplantation d'organes chaque année en raison d'une défaillance d'organe en phase terminale, mais seulement environ 10000 personnes peuvent recevoir un traitement de transplantation d'organes chaque année, et la source limitée d'organes vivants ne peut pas répondre aux besoins de les patients.

Si l'on prend l'exemple de la transplantation rénale, 3 000 patients sont transplantés chaque année et la demande atteint 300 000. La plupart des patients ne peuvent que se détériorer ou même mourir en attendant les ligands. Dans le même temps, le nombre de patients qui ont besoin d'une greffe d'organe en Chine continue d'augmenter de plus de 10 % chaque année. De plus, il existe des réactions de rejet immunitaire après la transplantation d'organe, ce qui nécessite un traitement immunosuppresseur à long terme.

Compte tenu de cela, une méthode efficace est nécessaire de toute urgence pour résoudre la pénurie d'organes de donneurs et la réaction de rejet dans la transplantation d'organes. L'émergence et le développement rapide de la technologie d'impression 3D biologique offrent une toute nouvelle solution au problème de pénurie de tissus ou d'organes - L'impression 3D biologique peut directement imprimer des organes ou des tissus vivants in vitro ou in vivo en utilisant des cellules vivantes dérivées de leurs propres cellules souches adultes induits et différenciés in vitro comme matières premières, remplaçant ainsi des organes ou des tissus aux fonctions perdues.

À l'heure actuelle, l'impression 3D biologique a réalisé certaines réalisations dans le domaine de la transplantation d'organes et a été appliquée à la régénération et à la reconstruction de la peau, des os, des vaisseaux sanguins artificiels, des attelles vasculaires, des tissus cardiaques et des structures cartilagineuses.

D'autre part, la recherche actuelle sur les mécanismes médicaux nécessite des modèles in vitro plus précis. Les solutions traditionnelles sont souvent basées sur la culture cellulaire bidimensionnelle et l'expérimentation animale. Cependant, la méthode basée sur la culture cellulaire bidimensionnelle est très différente de l'environnement tridimensionnel dans le corps réel, et dans certains cas, il peut y avoir des résultats contradictoires, ce qui limite la valeur de référence. En plus de nombreux problèmes éthiques dans les expérimentations animales, la chose la plus cruciale est qu'il existe une grande différence entre l'environnement interne des animaux et l'environnement humain.

En d'autres termes, si les cellules humaines peuvent être utilisées pour reconstruire l'environnement tridimensionnel de tissus ou d'organes in vitro, les défauts des solutions existantes peuvent être bien compensés, et la construction de tissus ou d'organes in vitro peut sans aucun doute être largement utilisée dans les médicaments. dépistage et exploration des mécanismes de la maladie.

Cela apportera aux gens un bond en avant dans la médecine de précision et la médecine personnalisée. Après tout, il existe des particularités et des différences dans la structure physique et les conditions pathologiques de chaque personne, en particulier pour les patients atteints de maladies complexes et rares. Compte tenu du risque élevé de chirurgie, les médecins peuvent imprimer les parties pathologiques du patient dans un rapport 1:1 à l'aide de la technologie d'impression 3D, afin d'effectuer une planification préopératoire et des exercices précis pour les cas complexes, rares et difficiles.

Cela peut non seulement fournir aux médecins des données structurelles tridimensionnelles précises pour la conception de plans chirurgicaux, mais également prévisualiser l'ensemble du processus chirurgical et améliorer la planification chirurgicale sous le principe d'une approche plus intuitive et réaliste, afin d'améliorer la précision de la chirurgie réelle et de réduire le risque chirurgical. De plus, pour différents patients, les guides chirurgicaux personnalisés par impression 3D peuvent réduire efficacement les traumatismes et les saignements de la chirurgie, raccourcir considérablement la durée de l'opération et améliorer la précision de la chirurgie.

Par conséquent, par rapport à la technologie médicale traditionnelle, sur la base du respect et de la maîtrise des différences individuelles, la technologie d'impression 3D peut réaliser une véritable personnalisation personnalisée et rendre le traitement médical plus précis.

L'avenir est de plus en plus clair

En 2003, Thomas Boland de l'Université de Clemson a réalisé avec succès l'impression de cellules vivantes en utilisant une imprimante HP modifiée (h550c) et une cartouche d'encre (hp51626a), un tampon PBS contenant des cellules ovariennes de hamster chinois (CHO) et des cellules de neurones moteurs embryonnaires de souris comme "encre biologique", et gélose de soja / gel de collagène comme "papier bio", et a publié son premier article sur la bio-impression cellulaire, qui a été rapporté par des médias tels que l'American Science Journal et CNN. En 2004, le groupe de recherche a déposé le premier brevet d'impression de cellules et d'organes et a obtenu l'autorisation de brevet en 2006. Plus tard, la technologie a été autorisée à Organovo, une célèbre société d'impression 3D biologique cotée au NASDAQ.

Depuis lors, les organes imprimés en 3D sont également officiellement entrés dans la voie du développement et ont apporté de nombreux espoirs à la médecine régénérative. En décembre 2010, Organovo a fabriqué le premier vaisseau sanguin humain bio-imprimé à l'aide d'un novogen MMX. Depuis lors, la société a également imprimé de petits échantillons de tissus musculaires squelettiques, osseux et hépatiques, implanté avec succès des nerfs dans la colonne vertébrale et déterminé un plan à long terme pour fabriquer des tissus humains transplantés. Au début, cette impression à la demande se concentrait principalement sur la réparation du myocarde, la transplantation nerveuse ou les segments artériels, car ces tissus sont relativement petits et plus faciles à imprimer, et la possibilité d'application clinique est également plus grande.

En 2012, des scientifiques écossais ont utilisé des cellules humaines pour imprimer pour la première fois du tissu hépatique artificiel avec une imprimante 3D. La même année, le centre médical public de l'Université du Michigan a créé une trachée artificielle grâce à la technologie d'impression 3D et a réalisé la première opération de transplantation humaine d'organes imprimés en 3D au monde. C'est la première fois que les humains utilisent des pièces imprimées en 3D pour s'organiser et se réorganiser. Il a été publié dans le New England Journal of medicine en mai 2013.

Dans un autre développement complètement différent en décembre 2012, Organovo a annoncé qu'il avait coopéré avec Autodesk pour produire le premier logiciel de conception 3D pour la bio-impression. Il ouvre novogen MMX à davantage d'utilisateurs, améliorant ainsi la disponibilité et la fonctionnalité de la bio-impression.

Comme l'a déclaré Keith Murphy, président-directeur général d'Organovo, l'objectif à long terme du nouveau partenariat de l'entreprise avec Autodesk est de "s'efforcer de permettre aux clients de concevoir eux-mêmes des organisations 3D, puis de laisser Organovo être responsable de la production". Tout comme les sculpteurs peuvent désormais télécharger un nouveau bijou chez les fabricants de bijoux, ils peuvent imprimer en 3D des objets en plastique ou en métal. À l'avenir, les médecins pourront également envoyer les modèles électroniques de greffes d'artères ou d'organes entiers à Organovo pour la bio-impression, puis Organovo exprimera les produits finis en retour. En 2012, MIT Technology Review a classé Organovo parmi les 50 entreprises les plus innovantes au monde, et en 2010, le magazine Time a classé novogen MMX parmi les meilleures inventions de l'année.

En 2013, le premier implant crânien peek de produit d'impression 3D personnalisé au monde (société américaine OPM) a été approuvé par la FDA. En février de la même année, des chercheurs de l'Université Cornell aux États-Unis ont publié un rapport selon lequel ils utilisaient des cellules d'oreille bovine pour imprimer des oreilles artificielles dans une imprimante 3D, qui peuvent être utilisées pour la transplantation d'organes d'enfants atteints de malformations congénitales.

En novembre 2014, Organovo a lancé son tissu hépatique humain imprimé en 3D exvive3dtm disponible dans le commerce pour les tests précliniques de médicaments.

En avril 2015, Organovo a annoncé les premières données mondiales sur les tissus rénaux de cellules entières bio-imprimées en 3D lors de la conférence Experimental Biology à Boston. Le tissu rénal actuel ne peut survivre que quelques jours dans des conditions normales de laboratoire, tandis que le tissu rénal imprimé en 3D d'Organovo peut durer "au moins deux semaines".

En Chine, le professeur Yan Yongnian de l'Université Tsinghua a dirigé l'équipe pour mener des recherches sur la technologie d'impression 3D biologique vers 2002. En 2004, il a dirigé l'équipe pour terminer le système d'écriture directe cellulaire et l'impression cellulaire, et a établi une ingénierie de fabrication biologique de pointe à l'échelle internationale. laboratoire, connu comme "la première personne dans l'impression 3D en Chine".

En août 2013, Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (regenovo en abrégé) a coopéré avec des scientifiques de l'Université des sciences et technologies électroniques de Hangzhou et d'autres universités pour développer avec succès une imprimante 3D capable d'imprimer simultanément des matériaux biologiques et des cellules vivantes. En octobre 2015, Genefit a lancé la troisième génération de poste de travail d'impression 3D biologique, qui a réussi à "imprimer" des unités hépatiques par lots pour le dépistage de médicaments.

De nos jours, avec les progrès et la maturité de la technologie de bio-impression 3D, l'avenir de la bio-impression 3D est de plus en plus brillant.

Avant l'impression 3D des organes

Cependant, un avenir radieux ne signifie pas que le processus se déroule sans heurts. Après tout, l'impression 3D biologique est une industrie interdisciplinaire de la médecine, des sciences de la vie, de la science des matériaux, des technologies de l'information, de l'ingénierie tissulaire, de la fabrication, des essais cliniques, etc. Les trois conditions les plus importantes pour imprimer un organe vivant sont les cellules, les échafaudages et l'induction.

La technologie d'assemblage direct de cellules fait référence à l'assemblage direct de cellules ou de matériaux de matrice cellulaire dans les structures souhaitées selon des modèles de données 3D, et enfin à la formation d'un tissu ou d'un organe vivant par culture ultérieure.

La technologie d'assemblage cellulaire indirect consiste à construire un échafaudage de culture cellulaire avec des biomatériaux, puis à attacher les cellules aux positions correspondantes de l'échafaudage en fonction des structures requises via des modèles 3D, puis à inciter les cellules à survivre pour être cultivées dans des tissus et organes vivants.

Cependant, nous devons savoir que la structure de l'organe lui-même est très complexe et qu'il y a plus d'une cellule dans un organe. Comment obtenir un arrangement complexe de plusieurs cellules et maintenir leur croissance est toujours un problème difficile auquel est confrontée l'impression d'organes. Prenons l'exemple des vaisseaux sanguins. Les vaisseaux sanguins semblent de structure simple, mais en fait, en plus d'avoir plusieurs couches de différentes structures de tissus cellulaires (les vaisseaux sanguins typiques sont principalement composés d'endothélium, de muscles lisses et de fibroblastes), la paroi des vaisseaux sanguins a également les fonctions de perméabilité sélective, l'élasticité de la paroi des vaisseaux sanguins et l'anticoagulation, qui rendent très difficile la fabrication de vaisseaux sanguins actifs in vitro pour remplacer les vaisseaux sanguins malades in vivo.

De plus, comment s'assurer que le matériau d'échafaudage est non toxique et adapté au corps humain, afin que les cellules puissent se développer normalement, et comment induire la croissance cellulaire, activer l'organe imprimé et remplacer complètement l'organe d'origine sont également des problèmes. à résoudre.

Enfin, l'utilisation de tels organes amènera également une série de considérations sur la nature humaine et la moralité. Un environnement d'opinion publique tolérant qui permet l'application des technologies connexes est encore en construction. Ce doute sur les organes d'impression a été pleinement reflété dans le court roman de science-fiction "centre d'événements" de nidi okolafer.

Dans le roman, la nouvelle que le président nigérian fengmi a subi une greffe du cœur s'est répandue comme une traînée de poudre, provoquant un tollé national. Contrairement aux hypothèses actuelles des scientifiques, le cœur artificiel préparé par le centre événementiel pour le président n'est plus dérivé d'animaux, mais est basé sur des tissus végétaux, utilisant des cellules souches autologues et la technologie d'impression 3D.

Même si cette technologie a mûri dans le roman, dans le roman, Yiqi, le chirurgien en chef des États-Unis, s'inquiète toujours de l'efficacité de l'opération. Si les doutes d'izzi sont principalement liés au succès ou à l'échec de la technologie elle-même, le coup lancé par le neveu du président sibbi et ancien général ochchuku a touché un autre problème provoqué par la technologie : y aura-t-il un changement majeur de tempérament après une transplantation cardiaque ? , voire la possibilité d'être contrôlé ? Cette spéculation n'est pas une conjecture non provoquée. Dans le monde réel, de nombreux patients transplantés hépatiques ont des changements de personnalité au cours d'une certaine période de temps, et la racine peut être les changements de régulation endocrinienne causés par les réactions de rejet.

La clé de cette inquiétude est : que sont les gens ? Doit-on s'appuyer sur un ensemble complet d'organes originaux, ou sur un corps et un esprit capables de penser et d'agir de manière indépendante ? Bien que le développement de la technologie ne dépende guère de la volonté de l'humanité, il convient tout de même d'être prudent quant à la double nature de la technologie. Il faut reconnaître qu'une série de questions sur la question de savoir si la technologie est bonne ou mauvaise est souvent la voie inévitable dans le processus de vulgarisation technologique, c'est-à-dire « dans le passé, c'était fantaisiste, maintenant c'est difficile, et à l'avenir c'est la coutume". Après tout, lorsqu'une technologie est créée, la façon d'en tirer le meilleur parti est ce qui nous importe le plus.

Les organes imprimés en 3D nous promettaient peut-être un bel avenir, mais avant que l'avenir ne vienne, il nous reste à bien comprendre cette technologie et non à la doter d'une éthique technique et de règles d'utilisation - de fait, l'impression 3D biologique est loin d'atteindre l'idée originale de l'impression d'organes et de l'impression in vitro d'organes vivants pouvant être utilisés pour la transplantation a encore un long chemin à parcourir.

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