Klik di bagian atas Kehidupan Sanlian Mingguan untuk menambahkan bintang!
Baru-baru ini, "hati" sepanjang 2,5 cm diciptakan dengan pencetakan 3D. Meski masih ada kekurangan, tampaknya kita selangkah lebih dekat ke masa depan transplantasi organ yang dipromosikan oleh pencetakan 3D biologis.
Jantung 3D pertama dengan pembuluh darah
Pada tanggal 15 April, Universitas Tel Aviv di Israel mengumumkan bahwa laboratorium sekolah telah mencetak "hati" dalam 3D, dan hasil eksperimen tersebut diterbitkan dalam jurnal ilmiah komprehensif "Advanced Science".
Hati ini lebih dari sekedar penampilan. Ia memiliki sel, pembuluh darah, dan struktur pendukung lainnya. Ia bahkan bisa berkontraksi seperti jantung - tapi panjangnya hanya 2,5 cm, hampir seukuran jantung kelinci. Profesor Assaf Shapira, salah satu pemimpin tim eksperimental Universitas Tel Aviv, mengatakan kepada jurnal ini: Dibandingkan dengan masa lalu, titik terobosan dari penelitian jantung cetak 3D ini adalah: Ini bukan hanya jantung yang tercetak. Ini adalah jantung rekayasa vaskularisasi 3D pertama di dunia yang menggunakan sel dan biomaterial pasien sendiri untuk mencetak 3D. Ini adalah jantung buatan 3D dengan jaringan pembuluh darah. jantung. Sebelumnya, para ilmuwan hanya berhasil mencetak jaringan sederhana tanpa pembuluh darah.
Proses jantung cetak 3D
Assaf Shapier menambahkan: "Bahan mentah untuk pencetakan jantung kita diambil dari pasien. Sepotong jaringan lemak diekstraksi, diedit untuk membuatnya menjadi sel induk, dan kemudian diubah menjadi kardiomiosit dan sel endotel. Selain itu, , Untuk mengekstrak jaringan non-seluler dan mengubahnya menjadi semacam "gel unik pribadi" untuk digunakan sebagai "tinta" pencetakan. Bahan yang terdiri dari gula dan protein ini dapat digunakan untuk mencetak model jaringan kompleks 3D, dan kemudian menggunakan prinsip rekayasa jaringan, Isi perancah dengan sel agar sel bisa beregenerasi lebih baik. Katanya, "Bahan cetakan" dan "lem perekat" yang digunakan dalam percobaan ini berasal dari sel pasien sendiri, yang penting untuk keberhasilan konstruksi jaringan dan organ. Artinya jantung yang dicetak tidak akan menghasilkan penolakan setelah ditransplantasikan ke tubuh. .
Faktanya, transplantasi jantung pernah dielu-elukan sebagai puncak pengobatan abad 21. Saat ini, ribuan orang di seluruh dunia menyelesaikan transplantasi jantung melalui metode tradisional setiap tahun, yaitu pasien yang mati otak memberikan detak jantung, dan rumah sakit menempatkan jantung pada bahan khusus. China, bekerja sama dengan maskapai penerbangan sipil untuk mengangkut jantung - batas waktu iskemia untuk donor mati otak adalah 6 jam - rumah sakit yang menerima donor perlu mendapatkan jantung dalam batas waktu ini dan melakukan transplantasi jantung. Saat ini, angka kematian setelah transplantasi jantung tetap tinggi, yang terutama terkait dengan reaksi penolakan. Pada tahun 1978, Zhang Shize dan dokter lainnya menyelesaikan operasi transplantasi jantung pertama di Tiongkok Daratan di Rumah Sakit Ruijin Shanghai, tetapi pasien tersebut bertahan hanya 109 hari setelah operasi. Bahkan sekarang, tingkat kelangsungan hidup 5 tahun setelah transplantasi jantung hanya di atas 50%.
Mengingat hal ini, jika metode teknis Universitas Tel Aviv dapat terbukti efektif dalam tahap uji coba manusia di masa depan, dan sampai batas tertentu menyelesaikan masalah penolakan tradisional setelah transplantasi jantung, itu memang akan menjadi terobosan besar.
Ketika ditanya mengapa dia memilih untuk mencetak jantung 3D daripada ginjal atau organ lain, Assaf menjawab: "Dalam hal kesulitan, saya tidak memiliki kemampuan untuk membedakan mana yang lebih mudah. Tetapi metode transplantasi jantung tradisional saat ini adalah satu-satunya yang tersedia untuk pasien dengan gagal jantung lanjut. Metode pengobatan. Ada kekurangan donor jantung yang serius. Bagi kami, kami harus bekerja keras untuk mengembangkan metode baru. "
Jantung, karena ukurannya yang besar, berbagai jenis sel, dan detak, artinya, semua sel miokard perlu berkontraksi hampir bersamaan untuk berfungsi. Bahkan setelah perkembangan teknologi pencetakan 3D selama bertahun-tahun, kasus implantasi prostesis cetak 3D di bidang medis bedah kraniofasial, ortopedi, dan stomatologi sudah tidak biasa lagi saat ini, meskipun para ilmuwan telah menguasai teknologi budidaya jaringan manusia sederhana secara artifisial. , Namun, masih sulit untuk mencetak 3D jantung yang sesuai dengan sitologi, biokimia, dan anatomi pasien.
Assaf tidak menghindar dari beberapa penyesalan dari eksperimen ini, "Dibatasi oleh akurasi printer 3D kami, saat ini tidak mungkin untuk mencetak semua pembuluh darah di jantung, dan jantung tidak memiliki fungsi pemompaan." Jarak "jantung" cetak 3D juga masih jauh untuk digunakan dalam eksperimen hewan.
Lantas, apa kesulitan hati mencetak 3D? Menelusuri kembali sumbernya dapat dikaitkan dengan masalah gravitasi bumi - jantung yang tercetak tidak dapat memompa darah karena jantung gagal berdetak dengan rapi; jantung berdetak dengan rapi membutuhkan kontak yang erat antara sel-sel jantung, dan sebagainya. Adanya gaya gravitasi bumi secara langsung maupun tidak langsung menyebabkan gagalnya semua kondisi tersebut.
Bagaimana cara membuat detak jantung yang dicetak?
Pencetakan 3D hati sama sekali tidak sesederhana menumpuk setumpuk sel menjadi hati. Eksperimen Universitas Tel Aviv termasuk dalam "pencetakan 3D biologis" di bidang pencetakan 3D. Perbedaan utama antara printer 3D dan printer tradisional adalah: Di satu sisi, pencetakan tradisional adalah pencetakan datar dalam ruang dua dimensi, sedangkan pencetakan 3D adalah pencetakan tiga dimensi dalam ruang tiga dimensi, menumpuk lapisan bahan untuk menambah materi; pencetakan tradisional menggunakan tinta , Dan printer 3D bervariasi sesuai dengan tujuan percobaan yang berbeda. Berbeda dengan laser atau panas yang biasa digunakan pada pencetakan 3D lainnya, karena pencetakan 3D biologis menggunakan sel, untuk memastikan aktivitas sel, tidak ada cahaya dan panas. Menurut lingkungan pertumbuhan sel yang berbeda, pencetakan 3D biologis perlu mengatur parameter pencetakan, secara akurat mengontrol kepadatan sel dalam bahan biologis, posisi faktor pertumbuhan dalam keseluruhan struktur 3D, dan efek terkait, untuk membuat jaringan cetak aktif secara biologis.
Jantung lebih rumit daripada organ biasa, terutama karena jantungnya berdetak. Jantung berdetak karena kardiomiosit saling berhubungan erat, dan sinyal listrik yang dihasilkan oleh sel menyebabkan sejumlah besar kardiomiosit berkontraksi bersama. Dan untuk mengoordinasikan kontraksi terkoordinasi dari dua atrium dan dua ventrikel, jantung itu sendiri memiliki sistem konduksi khusus.
Meskipun tidak sulit untuk menghasilkan puluhan juta kardiomiosit in vitro, Tetapi bahkan jika jantung dicetak 3D, apakah ia dapat melompat adalah satu hal, dan cara ia melompat adalah hal lain. Ambil gejala klinis misalnya, fibrilasi ventrikel disebabkan oleh ketidakmampuan sel otot jantung untuk berdetak secara serempak. Begitu "sinkronisasi" hilang, berbagai sel yang berdetak satu demi satu akan menyebabkan jantung segera kehilangan fungsi pemompaan darahnya dan menyebabkan kematian. Dengan kata lain, jika jantung ingin memompa darah, jantung harus berdetak dengan sangat rapi.
Pada 15 April, printer 3D sedang mencetak jantung 3D di laboratorium Universitas Tel Aviv di Israel (foto | AFP)
Jantung yang dicetak oleh Universitas Tel Aviv kali ini belum mencapai detak sinkron dari sejumlah besar sel dan menghasilkan daya yang cukup. Seorang profesor di Departemen Ilmu Saraf di Universitas Amerika mengatakan kepada jurnal ini: "Menurut makalah yang diterbitkan dalam eksperimen ini, dapat dilihat bahwa jaringan yang dicetak terhubung secara elektrik, dan sel-sel di sekitarnya berdetak secara serempak. Tetapi ini jauh dari tercapai. Persyaratan sinkronisasi. "
Jadi mengapa hati yang dicetak oleh tim Universitas Tel Aviv tidak bisa berdetak dengan rapi? Jawabannya terkait dengan gravitasi bumi. "Kekuatan adhesi pencetakan 3D tidak cukup untuk menopang organ besar seperti jantung atau ginjal, dan di bawah pengaruh gravitasi bumi, itu akan menyebabkan robeknya sel." Peneliti Universitas Harvard Xie Xin mengatakan kepada jurnal itu bahwa dia juga salah satu pendiri perusahaan chip organ ApreX. Arahan penelitian utamanya meliputi sistem elektronik mikro-mekanis, pencetakan 3D biologis, chip mikrofluida, dan chip organ. "Masalah inti dari pencetakan 3D biologis adalah untuk memecahkan dampak materi biologis dan gravitasi pada sel cetakan 3D."
Gambar dari situs resmi Universitas Tel Aviv
Objek penelitian Xie Xin di bidang sistem elektronik mikro-mekanis adalah perangkat berskala mikro dan nano. Dalam keadaan khusus skala mikro ini, gaya adsorpsi elektrostatis akan jauh lebih besar daripada gaya gravitasi perangkat, sehingga peneliti akan mengabaikan pengaruh gravitasi dan lainnya. Hitung gaya adsorpsi elektrostatis. "Hukum ini, pada gilirannya, menjelaskan dengan baik mengapa dimungkinkan untuk mencetak model sel organ kecil dalam bioteknologi 3D, tetapi begitu ukuran sebenarnya (seperti jantung 250 gram) dicetak, dukungan dan adhesi antar sel akan Tentu saja (tidak berubah dengan ukuran cetakan Anda), maka itu mungkin memiliki dua konsekuensi: di satu sisi, sel-sel di lapisan bawah runtuh di bawah tekanan sel yang lebih besar dan lebih besar di lapisan atas; di sisi lain, jika tidak ada panen Ini runtuh di bawah tekanan. Selama transfer dan transportasi, lapisan atas sel tidak dapat menahan berat lapisan bawah sel dan terjadi robekan. "
Apa yang dimaksud dengan robekan antar sel? Sel-sel dalam tubuh dapat "tumbuh" bersama dan membutuhkan kontak dan pengenalan antar sel, dan kontak serta pengenalan ini dicapai melalui molekul protein. Kontak antar molekul protein seperti sebuah kunci membuka kunci, kontak halus membuka banyak mesin di dalam sel, dan secara bertahap memperkuat hubungan antara dua sel. Saat mencetak jantung, kardiomiosit dalam "tinta" berbentuk bola dan tidak bersentuhan satu sama lain. Setelah dicetak, sel perlu tumbuh bersama untuk menjadi kardiomiosit matang, dan sejumlah besar sambungan molekul protein diperlukan di antara sel. Profesor Departemen Ilmu Saraf dari American University tersebut menggambarkan pemandangan mikroskopis dari proses pencetakan 3D biologis untuk jurnal ini: Ketika sel jatuh dari print head, mereka akan menghubungi sel lain masing-masing. Saat ini, molekul protein akan mengenali satu sama lain, tetapi mereka baru saja mengenali Ketika hanya beberapa molekul yang saling bersentuhan, hubungan menjadi sangat lemah.Jika sejumlah besar sel jatuh, gravitasi akan merobek koneksi yang baru dibuat, seperti gajah yang dapat dengan mudah merobek rambut.
Jantung rekayasa vaskularisasi tiga dimensi yang dicetak menggunakan sel pasien dan biomaterial
Secara keseluruhan, karena adanya gravitasi, jantung yang tercetak tidak memiliki kontak yang dekat antar sel, yang pada gilirannya memengaruhi frekuensi detak jantung, dan jantung tidak dapat memiliki fungsi pemompaan yang normal. Dan jika sel dapat mengapung bersama di ruang angkasa tanpa gravitasi, molekul protein secara bertahap dapat memperkuat hubungan antar sel, dan jantung dapat berdetak dengan rapi.
Cetak hati di luar angkasa
Lima tahun lalu, NASA mulai mendanai proyek pencetakan 3D yang sangat baik secara sistematis. Pada bulan Mei tahun ini, Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) dapat mengantarkan jantung pencetakan 3D dalam lingkungan tanpa gravitasi untuk pertama kalinya. Biaya seluruh proses sekitar 7 juta dolar AS, di mana biaya peluncurannya mencapai 80%.
NASA berharap dapat mengurangi faktor-faktor yang mempengaruhi sintesis material dalam proses pencetakan 3D di lingkungan tanpa bobot, Xie Xin menambahkan. Perusahaan rintisannya sedang menjajaki bersama NASA cara menggunakan lingkungan gayaberat mikro di Stasiun Luar Angkasa Internasional untuk melakukan penelitian tentang jaringan organ buatan. Dia sangat mendukung pencetakan 3D organ besar di lingkungan tanpa gravitasi.
Assaf Shapier juga mengetahui rencana NASA untuk mencoba mencetak jantung 3D di luar angkasa. "Itu terlalu mahal, dan saya pribadi tidak berpikir bahwa hasil ini dapat dicapai tanpa pergi ke luar angkasa. Memang, teknologi pencetakan bio-3D saat ini tidak memungkinkan pencetakan sistem vaskular yang halus dan padat secara alami. Pencetakan di bumi membutuhkan penahan beban Media Pendukung digunakan untuk mengontrol pengaruh gravitasi bumi sampai batas tertentu. Operasi saat ini adalah menggunakan sel dan bahan seperti hidrogel untuk mencampur dan mencetak. Hidrogel itu sendiri tidak memiliki dukungan struktur mekanis, sehingga diperlukan dukungan eksternal untuk mengisi sel ke dalam pori-pori. Masuk."
Assaf Shapier, salah satu pemimpin tim eksperimental di Universitas Tel Aviv
Berkaitan dengan hal tersebut, Xie Xin menegaskan bahwa hati berukuran kecil yang dicetak oleh tim Assaf membutuhkan dukungan braket penahan beban untuk menyelesaikan pencetakan, sehingga kesulitan mencetak organ berukuran besar dapat dibayangkan. Sangat sulit untuk mencetak 3D organ manusia seutuhnya di bumi tanpa perancah, dan adanya perancah mempengaruhi kontak antar sel. Meskipun perancah hidrogel dapat mengatur kelembutan dan kekerasan, dalam hal ini Israel, Untuk memastikan kapasitas penahan beban, perancah yang kokoh harus digunakan, dan sel tidak dapat dengan mudah tumbuh bersama. "
Kali ini, salah satu dari selusin proyek di Stasiun Luar Angkasa Internasional dengan Space X adalah sebuah perusahaan bernama Techshot, yang telah mengembangkan teknologi untuk NASA, Space Exploration Corporation dan mitra lainnya selama lebih dari 25 tahun. Ia telah bersama-sama mengembangkan printer 3D biologis dengan nScrypt. Dan nScrypt-lah yang menciptakan bioprinter 3D pertama di dunia pada tahun 2003. Mulai tahun lalu, Techshot dan organisasi pihak ketiga telah bersama-sama mempelajari cara menyelesaikan eksperimen di Stasiun Luar Angkasa Internasional sepenuhnya secara otomatis. Ini membantu memenuhi kebutuhan medis misi eksplorasi ruang angkasa dalam jangka panjang. Tujuan utamanya adalah membangun pabrik pembuatan organ di luar angkasa untuk memastikan kemanusiaan. Waktu tunggu untuk organ cetakan 3D tidak akan lama. Pernyataan publik perusahaan ini cukup misionaris: "Tujuan kami adalah mencapai organ yang dapat ditransplantasikan di luar angkasa."
Pada tahun 2016, Techshot dan nScrypt menggunakan sel induk manusia dewasa untuk berhasil mencetak 3D struktur pembuluh darah jantung di lingkungan tanpa gravitasi. Jika semua berjalan sesuai rencana, Stasiun Luar Angkasa Internasional akan memiliki printer bio 3D yang disesuaikan untuk lingkungan luar angkasa bulan depan, yang terpenting adalah dapat mencetak jaringan 3D yang lebih canggih dan kompleks. Kata kuncinya di sini adalah "baik." Dr. Kenneth Church, ketua dan CEO nScrypt, menyatakan di depan umum bahwa lapisan sel yang dicetak oleh bioprinter nScrypt 3D beberapa kali lebih halus daripada rambut manusia. Perbedaan ini dapat dibayangkan seperti memegang pulpen halus daripada krayon saat menggambar. Printer nScrypt BAT 3D menggunakan teknologi paten Smart Pump. Untuk mengontrol laju aliran bahan biologis secara lebih akurat, volume serendah 100 mikroliter. Kontrol, dan dapat menggunakan nozel sekecil 10 mikron. Ini diperlukan untuk mencetak detail halus dari organ manusia.
Perlu dicatat bahwa pergi ke luar angkasa untuk mencetak hanyalah satu langkah dalam mencetak organ manusia yang lengkap. Tetapi bahkan jika itu terwujud, masih ada jalan panjang yang harus ditempuh sebelum percobaan pada hewan. Hal pertama yang harus diselesaikan oleh pencetakan bio-3D organ besar adalah masalah robeknya sel yang disebabkan oleh beratnya sendiri, dan semua masalah berikut ini tidak ada artinya. Setelah menyelesaikan masalah ini, kami akan terus mengoptimalkan lingkungan kultur sel, komunikasi sel, dan materi biologis. Pilihan perlahan akan berkembang ke arah yang kita ingin lihat. Xie Xin menambahkan.
Untuk mundur selangkah, meski masalah gravitasi sudah dieliminasi dan jantung bisa berdetak dengan rapi, kesulitan mencetak 3D jantung belum berakhir - hanya dengan suplai darah yang terus menerus, organ atau jaringan yang dicetak bisa bertahan untuk waktu yang lama. Tidak ada jawaban yang jelas tentang bagaimana membangun jaringan pembuluh darah, dan masalah sirkulasi darah hampir menjadi titik mati untuk pencetakan 3D organ padat. Jantung sendiri membutuhkan sekitar 10% dari darah yang beredar ke seluruh tubuh untuk mendukungnya. Setelah keluar dari darah, semua organ hanya bisa "memasak" pada suhu rendah 4 derajat. Jika pencetakan sel membutuhkan suhu tubuh 37 derajat, hampir tidak ada waktu untuk menyelesaikan pencetakan, karena sel yang dicetak pertama akan mati karena kekurangan oksigen sebelum pencetakan selesai. Ini juga merupakan kesulitan eksperimen yang disebutkan oleh Profesor Assaf Shapier dalam wawancara. "Salah satu kendala yang perlu kita atasi sekarang adalah bagaimana memberikan oksigen dan nutrisi ke jaringan yang sedang tumbuh untuk mempertahankan sel-sel dari 'hari ke-0' sejak struktur cetakan diekstraksi dari media pendukung. Bertahan hidup. Untuk ini, kami memesan bioreaktor khusus yang dapat mengedarkan media pertumbuhan yang mengandung oksigen di pembuluh darah utama dan bilik jantung yang dicetak. "
Dapatkah "bioreaktor" khusus ini menyelesaikan masalah? Ini tidak dapat diverifikasi saat ini. Hanya saja jika bioreaktor jenis ini efektif, seharusnya ia menunjukkan keahliannya dalam transplantasi organ. Transplantasi organ saat ini tidak harus berpacu dengan waktu untuk mengejar pesawat. Sangat mungkin untuk hidup di "bioreaktor" selama beberapa hari dan kemudian mencangkoknya dengan tenang. .
Bahkan selangkah demi selangkah, percetakan 3D biologis selangkah demi selangkah menuju plot fiksi ilmiah. Assaf tetap menekankan di akhir wawancara: "Saya harap kami tidak pernah bisa mencetak manusia seutuhnya. Kami tidak ingin menjadi Tuhan, kami hanya ingin membantu mereka yang menderita penyakit jantung."
(Artikel ini diterbitkan di Sanlian Life Weekly, Edisi 20, 2019)
Semua orang menonton
Hak cipta artikel adalah milik "Sanlian Life Weekly", Selamat datang di depan lingkaran pertemanan , Silakan hubungi latar belakang untuk mencetak ulang .
, Lakukan pemesanan dengan satu klik
[Mengapa "I Love My Family"]
Klik untuk membaca teks asli, masuk ke toko buku mingguan, Beli lebih banyak buku bagus.