Запасні частини людини
Ласкаво просимо до Prism Online
Нова інженерна дисципліна сподівається на виготовлення персоналізованих органів для випробувань або заміни.
Каймінг Є, професор біоінженерії з Бінгемтонського університету, бачить майбутнє охорони здоров’я: пацієнт звертається до лікаря зі скаргами на болі в грудях і діагностує серйозні захворювання серця. Частина його клітин збирається, можливо, під час біопсії або зразка крові. Клітини обробляються і стають базовим матеріалом для створення нового, здорового серця - можливо, виготовленого за допомогою швидкого прототипу або тривимірного принтера - це унікальне для нього. Незабаром - можливо, навіть пізніше того ж дня - нове серце готове до імплантації в тіло пацієнта, замінивши його старий, пошкоджений білет. Ви передбачаєте, щоб подібні процеси використовувались для заміщення багатьох інших пошкоджених або хворих тканин та органів людини. Дійсно, будь-яка технологія, яка може створити настільки складний м’яз, як серце, може легко викинути простіші органи, такі як печінка та нирки.
На замовлення запчастини для зламаних людей можуть здатися науковою фантастикою, але Є впевнений, що така медична революція вже недалеко - за умови, що для її розвитку може бути створена промислова база. “Ця галузь ще не існує; є просто колекція окремих лабораторій », - говорить він. Ось чому ось уже кілька років він є одним із ряду науковців, які активно працюють у зусиллях Національного наукового фонду (NSF) створити як інженерну дисципліну, так і галузь: передове біовиробництво. Мета полягає в тому, щоб забезпечити виробничу базу не тільки для тканинної інженерії - побудови цілих тканин і органів людини для скринінгу наркотиків і, врешті-решт, для трансплантації, - а також для швидкозростаючої галузі клітинної та персоналізованої терапії або регенеративної медицини, які використовують клітини або як імунізацію, або як частину пластирів та імплантатів, щоб вилікувати низку захворювань.
Історія тканинної інженерії та клітинної медицини порівняно коротка. Це було визначене поле лише з середини 1980-х років, і сучасні сучасні версії розпочалися наприкінці 90-х з розвитком технологій стовбурових клітин, зокрема винаходом процесу перепрограмування зрілих дорослих клітин назад у стовбурові клітини або плюрипотентні стовбурові клітини, які можна спонукати виростити будь-який тип тканини. Ранній успіх досяг у 1999 році. Тоді Ентоні Атала, директор Інституту регенеративної медицини Вейк-Форест, успішно використав покриття із покриттям стовбурових клітин для створення штучних сечових міхурів для семи дітей, хворих на роздвоєння хребта. Зовсім недавно, в 2013 році, хірурги успішно пересадили біоінженерну трахею 2-річній дівчинці, хоча пізніше дитина померла від інших ускладнень.
Рухаючись за допомогою нових технологій - насамперед тривимірного друку - поле перейшло на надмірне. Важлива стаття дворічної давнини, написана групою під керівництвом професора клітинної та молекулярної фармакології Каліфорнійського університету в Сан-Франциско Венделла Ліма, стверджує, що "сьогодні біомедицина стоїть на порозі нової революції: використання мікробних та людських клітин як універсальних терапевтичних двигунів », який став би новим« третім стовпом »медицини, в якому зараз переважають маломолекулярні фармацевтичні препарати та біопрепарати, такі як рекомбінантні гормони та препарати на основі антитіл. Але ця революція, що зароджується, додає вона, "зажадає розвитку основоположної інженерної науки про клітину, яка забезпечує системну основу для безпечного та передбачуваного зміни та регулювання поведінки клітин". І саме в цьому «рухається розвинене біовиробництво», говорить Афанасіос Самбаніс, директор програми відділу хімічних, біоінженерних, екологічних та транспортних систем NSF.
Стандартизація процесів
Потрібна нова дисципліна "для того, щоб визначити найважливіші виклики та бар'єри, які необхідно подолати для просування галузі", та навчити інженерів та вчених, які б керували нею, пояснює Самбаніс, який також є професором хімічної та біомолекулярної галузей. машинобудування в Georgia Tech. По суті, NSF регулює свій вплив та фінансування, щоб створити та назвати нову інженерну дисципліну, орієнтовану на лазерну регенеративну медицину. Це поняття завойовує похвалу дослідників регенеративної медицини. "Безумовно, необхідна стандартизація процесів тканинної інженерної терапії регенеративною медициною, щоб зменшити витрати та зробити виробничі процеси більш економічними, ефективними та стійкими", - говорить Атала, інститут якого ініціював науково-дослідну програму з промислового машинобудування школі та брав участь в одному з передових семінарів з біовиробництва NSF.
Коли NSF спонсорував у липні 2013 року семінар-практикум з удосконаленого біовиробництва, робоче визначення було ширшим і включало більш традиційні технології біовиробництва, такі як інженерні бактерії для виробництва фармацевтичних препаратів, палива та нових матеріалів. NSF навмисно розпочав з більш інклюзивного визначення, щоб гарантувати, що жодні важливі сфери не залишаються поза увагою, говорить Самбаніс. З тих пір NSF спонсорував 15 або більше таких семінарів, і з’явилося більш вузьке, точне визначення, яке повністю зосереджено на регенеративній медицині. "Ми хочемо відрізнити це від традиційної біоіндустрії", - пояснює Є. «Це не ферментація наркотиків; це не біореактори ".
Поза NSF те, що називається вдосконаленим біовиробництвом, залишається досить широким та еластичним, і це може заплутати. Наприклад, університет Великобританії в Шеффілді може похвалитися Розширеним центром біовиробництва, але його дослідження широкомасштабне і включає сфери, які, на думку NSF, не належать до цієї дисципліни - біологічні процеси виробництва хімічних речовин, енергії та їжі, наприклад. "Поки що в усьому світі не існує згоди щодо того, що таке вдосконалене біовиробництво", - говорить Олександр Леонеса, доцент кафедри машинобудування в Virginia Tech, який керує програмою інженерії загальних та вікових інвалідностей NSF. Назва "насправді не охоплює реальної задіяної роботи", говорить він. Деякі залучені зараз розглядають можливість пошуку нового імені.
Тканини, вирощені на замовлення
Ви вважаєте, що органи, побудовані з нуля, можуть бути легко доступні протягом п’яти-десяти років, принаймні найосновніші, такі як підшлункова залоза та печінка. Звичайно, серця дуже складні, і штучно вирощені в лабораторіях, ймовірно, через пару десятиліть. Існує щонайменше три різні методи побудови органів з живих клітин. Найбільше уваги привертає тривимірний друк, який використовує багаті клітинами біологічні фарби або гідрогель для побудови органу по одному надтонкому шару за один раз на основі складних комп’ютеризованих тривимірних моделей, що включають судинні системи. Існує також оригінальний метод побудови органів з клітинами на ешафотах, саме так Атала формував свої сечові міхури. Його біологічно розкладаються риштування були утворені з колагену або композиту колагену та полігліколевої кислоти. Третій метод, що використовується переважно в Японії, - це двовимірна конструкція, яка також вирощує власну матрицю і самостійно збирається у тривимірний орган.