Piese de schimb umane
Bine ați venit la Prism Online
O nouă disciplină inginerească se așteaptă înainte la fabricarea de organe personalizate pentru testare sau înlocuire.
Kaiming Ye, profesor de bioinginerie la Universitatea Binghamton, are o viziune asupra viitorului asistenței medicale: un pacient merge la medicul său plângându-se de dureri în piept și este diagnosticat cu boli cardiace grave. Unele dintre celulele sale sunt colectate, probabil dintr-o biopsie sau o probă de sânge. Celulele sunt procesate și devin materialul de bază pentru a crea o inimă nouă, sănătoasă - posibil realizată cu un prototip rapid sau cu o imprimantă 3D - care este unic pentru el. Curând după aceea - poate chiar mai târziu în aceeași zi - noua inimă este gata să fie implantată în corpul pacientului, înlocuind vechiul său ticker deteriorat. Prevedeți că procese similare sunt utilizate pentru a înlocui multe alte țesuturi și organe umane deteriorate sau bolnave. Într-adevăr, orice tehnologie care poate produce un mușchi la fel de complex ca o inimă ar putea produce cu ușurință organe mai simple, cum ar fi ficatul și rinichii.
Piesele de schimb personalizate pentru oameni rupți pot suna ca ficțiunea științifică, dar Ye este convins că o astfel de revoluție medicală este relativ aproape - cu condiția să se poată dezvolta o bază industrială care să o susțină. „Această industrie nu există încă; există doar o colecție de laboratoare individuale ”, spune el. De aceea, de câțiva ani încoace, el face parte dintr-un număr de academicieni care au activat într-un efort condus de Fundația Națională pentru Științe (NSF) pentru a crea atât o disciplină de inginerie, cât și o industrie: biofabricarea avansată. Scopul este de a oferi baza de fabricație nu numai pentru ingineria țesuturilor - construirea de țesuturi și organe umane întregi pentru screening-ul medicamentelor și, în cele din urmă, pentru transplanturi - ci și pentru domeniul în creștere rapidă a terapiilor bazate pe celule și personalizate, sau medicina regenerativă, care folosesc celule, fie ca imunizări, fie ca parte a plasturilor și implanturilor, pentru a vindeca o serie de afecțiuni.
Istoria ingineriei țesuturilor și a medicinei celulare este relativ scurtă. A fost un domeniu definit abia de la mijlocul anilor 1980, iar versiunile moderne de astăzi au început la sfârșitul anilor '90, cu dezvoltarea tehnologiilor de celule stem, în special invenția unui proces de reprogramare a celulelor adulte mature înapoi în celule stem sau celule stem pluripotente., care poate fi coaxial pentru a crește orice tip de țesut. Un succes timpuriu a avut loc în 1999. Atunci, Anthony Atala, directorul Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, a folosit cu succes schelele acoperite cu celule stem pentru a crea vezici artificiale pentru șapte copii care suferă de bifida coloanei vertebrale. Mai recent, în 2013, chirurgii au transplantat cu succes o trahee bioinginerată într-o fetiță de 2 ani, deși copilul a murit ulterior din cauza altor complicații.
Propulsat de noile tehnologii - în primul rând imprimarea 3D - câmpul s-a transformat în overdrive. O lucrare importantă de acum doi ani, scrisă de o echipă condusă de Wendell Lim, profesor de farmacologie celulară și moleculară la Universitatea din California, San Francisco, susținea că „astăzi, biomedicina se află pe vârful unei noi revoluții: utilizarea a celulelor microbiene și umane ca motoare terapeutice versatile ”, care ar deveni un nou„ al treilea pilon ”al medicinei dominat acum de produsele farmaceutice și biologice cu molecule mici, cum ar fi hormonii recombinați și medicamentele pe bază de anticorpi. Dar această revoluție naștere, a adăugat, "va necesita dezvoltarea unei științe fundamentale de inginerie celulară care oferă un cadru sistemic pentru modificarea și reglarea în siguranță și previzibilă a comportamentelor celulare." Și aici se îndreaptă „către biofabricarea avansată”, spune Athanassios Sambanis, director de program al Diviziei NSF pentru Chimie, Bioinginerie, Mediu și Sisteme de Transport.
Procese de standardizare
Este necesară o nouă disciplină „pentru a identifica provocările critice și barierele care trebuie depășite pentru a avansa pe teren” și pentru a educa inginerii și oamenii de știință care l-ar conduce, explică Sambanis, care este, de asemenea, profesor de chimie și biomoleculară. inginerie la Georgia Tech. În esență, NSF își orientează influența și abilitățile de finanțare pentru a crea și numi o nouă disciplină de inginerie axată pe laser pe medicina regenerativă. Noțiunea câștigă laude din partea cercetătorilor în medicina regenerativă. „Cu siguranță este nevoie de standardizarea proceselor pentru terapiile de medicină regenerativă elaborate cu țesuturi, pentru a reduce costurile și pentru a face procesele de fabricație mai economice, eficiente și durabile”, spune Atala, al cărui institut a inițiat un program de cercetare cu o inginerie industrială a participat la unul dintre atelierele avansate de biofabricare ale NSF.
Când NSF a sponsorizat un atelier din iulie 2013 privind biofabricarea avansată, definiția de lucru a fost mai largă și cuprinde tehnologii de biofabricare mai tradiționale, cum ar fi ingineria bacteriilor pentru a produce produse farmaceutice, combustibili și materiale noi. NSF a început în mod intenționat cu o definiție mai incluzivă pentru a se asigura că nu au fost trecute cu vederea zone importante, spune Sambanis. De atunci, NSF a sponsorizat 15 sau mai multe ateliere și a evoluat o definiție mai îngustă și mai precisă, care se concentrează în totalitate pe medicina regenerativă. „Vrem să distingem acest lucru de industria bio tradițională”, explică Ye. „Aceasta nu este fermentarea medicamentelor; nu sunt bioreactoare. "
În afara NSF, ceea ce se numește biofabricare avansată rămâne destul de largă și elastică, iar acest lucru poate fi confuz. De exemplu, Universitatea din Sheffield din Marea Britanie se mândrește cu un centru avansat de biofabricare, dar cercetările sale sunt cuprinzătoare și includ domenii pe care NSF nu le aparține disciplinei - procesele biologice de producere a substanțelor chimice, a energiei și a produselor alimentare, de exemplu. „La nivel global, până în prezent, nu există un acord cu privire la ceea ce este biofabricarea avansată”, spune Alexander Leonessa, profesor asociat de inginerie mecanică la Virginia Tech, care conduce programul NSF General and Age-Related Disability Engineering. Numele „nu surprinde de fapt munca reală implicată”, spune el. Unii implicați se gândesc acum să găsească un nou nume.
Țesuturi crescute la comandă
Voi credeți că organele construite de la zero ar putea fi ușor disponibile în termen de cinci până la zece ani, cel puțin cele mai elementare, cum ar fi pancreasele și ficatul. Inimile sunt foarte complexe, desigur, iar cele artificiale cultivate în laborator sunt probabil la câteva decenii distanță. Există cel puțin trei metode diferite pentru a construi organe din celule vii. Cea care primește cea mai mare atenție este imprimarea 3D, care folosește o cerneală biologică bogată în celule, sau hidrogel, pentru a construi un organ un strat ultra-subțire la un moment dat, bazat pe modele tridimensionale computerizate complexe care includ sisteme vasculare. Există, de asemenea, metoda originală de a construi organe cu celule pe schele, așa cum Atala și-a modelat vezicele. Schelele sale biodegradabile au fost formate din colagen sau dintr-un compozit de colagen și acid poliglicolic. O a treia metodă, utilizată în principal în Japonia, este o construcție bidimensională care își dezvoltă, de asemenea, propria matrice și se autoasamblează într-un organ tridimensional.