3D 프린팅에서 3D 장기 프린팅까지, 인간은 생명을 프린팅하는 것과 얼마나 거리가 먼가요?

1980년대부터 오늘날까지 3D 프린팅은 많은 발전을 이루었습니다. 3D프린팅의 중요한 분야인 생물학적 3D프린팅은 2000년경에 제안된 이후 많은 발전을 이루었습니다.

물론 생물학적 3D 프린팅은 현재 널리 사용되는 수술 경로 계획용 제품의 3D 프린팅과 같은 생체 적합성 요구 사항이 없는 제조 구조, 티타늄 합금 조인트와 같이 생체 적합성 요구 사항이 있는 비분해성 제품 제조, 결함 수복을 위한 실리콘 보철, 활성 세라믹 뼈 및 분해성 혈관 스텐트와 같은 생체 적합성이 요구되는 분해성 제품 제조 그러나 가장 중요하고 가장 우려되는 것은 생체 3차원 조직을 만들기 위해 살아있는 세포를 조작하는 기관의 3D 프린팅입니다.

인간의 수명 연장에 대한 욕망 때문에 장기 인쇄는 수천 년 동안 인류의 꿈이었고 인쇄 수명은 인류의 궁극적인 소원이라고 할 수 있습니다. 이제 사람들은 인류의 궁극적인 소원을 향해 달려가고 있습니다.

3D 오르간 프린팅이 필요한 이유는 무엇입니까?

생물학적 3D 프린팅의 구현은 조직 공학 및 재생 의학과 밀접한 관련이 있습니다. 조직 재생이 끝이고 조직 공학이 수단입니다.

그 중 조직 공학의 개념은 중국계 미국인 과학자 Feng Yuanzhen에 의해 제안되었으며 1987년 미국 국립 과학 재단에서 결정되었습니다. 그런 다음 세포를 포함하는 스캐폴드를 체내에 이식하여 생체 내 환경을 사용하여 해당 조직 또는 기관의 형성을 유도하여 상처 복구 및 기능 재건을 달성합니다. 조직 공학의 기존 방법은 지지체 제작과 세포 접착을 분리하는 것이지만, 지지체의 서로 다른 위치에 서로 다른 유형 및 밀도의 세포 침착을 달성하기가 어렵습니다. 생물학적 3D 프린팅은 다중 세포 공간 방향 조작과 다양한 세포 밀도의 제어 가능한 증착을 실현할 수 있어 조직 공학이 직면한 현재의 어려움을 해결할 수 있습니다.

오랫동안 시험관 내에서 활성 조직 또는 기관의 제조는 사람들의 지칠 줄 모르는 추구의 목표였습니다. 한편으로 장기 이식에는 큰 격차가 있습니다. 지금까지 신부전, 악성종양 등 많은 의학적 문제는 여전히 장기이식으로 치료되고 있다. 그러나 동종 장기이식에서는 항상 기증자가 부족했습니다. 국내외 모두 부족한 장기기증으로 매칭 성공률이 높지 않아 장기이식이 필요한 환자들은 기다릴 수밖에 없다.

미국에서는 미국 장기 자원 공유 네트워크(UNOS)에 따르면 적절한 장기 이식을 기다릴 수 없어 1.5시간마다 1명의 환자가 사망하고 있으며 매년 800만 명 이상의 환자가 조직 복구 관련 수술을 필요로 합니다. 통계에 따르면 중국에서는 말기 장기부전으로 매년 약 150만 명이 장기이식을 필요로 하지만 연간 약 10000명만이 장기이식 치료를 받을 수 있고 제한된 생존 장기 공급원은 환자의 요구를 충족시킬 수 없다. 환자.

신장이식을 예로 들면, 매년 3000명의 환자가 이식되고 수요가 300000에 달한다. 대부분의 환자는 리간드를 기다리다 악화되거나 사망할 수도 있다. 동시에 중국에서 장기 이식이 필요한 환자의 수는 여전히 매년 10% 이상 증가하고 있습니다. 또한 장기이식 후 면역거부반응이 있어 장기간의 면역억제 치료가 필요하다.

이러한 점에서, 기증자 장기의 부족과 장기이식 거부반응을 해결하기 위한 효과적인 방법이 시급히 요구되고 있다. 생물학적 3D 프린팅 기술의 출현과 급속한 발전은 조직 또는 장기 부족 문제에 대한 완전히 새로운 솔루션을 제공합니다 - 생물학적 3D 프린팅은 자신의 성체 줄기 세포에서 파생된 살아있는 세포를 사용하여 생체 외 또는 생체 내에서 살아있는 장기 또는 조직을 직접 프린팅할 수 있습니다. 생체 외에서 유도되고 분화되어 기능이 상실된 장기나 조직을 대체합니다.

현재 생물학적 3D 프린팅은 장기 이식 분야에서 일정한 성과를 거두었으며 피부, 뼈, 인공 혈관, 혈관 부목, 심장 조직 및 연골 구조의 재생 및 재건에 적용되었습니다.

한편, 현재의 의학적 기전 연구는 보다 정확한 in vitro 모델이 필요하다. 전통적인 솔루션은 종종 2차원 세포 배양과 동물 실험을 기반으로 합니다. 그러나 2차원 세포 배양에 기반한 방법은 실제 신체의 3차원 환경과 매우 다르며, 경우에 따라 상반된 결과가 나올 수 있어 기준값이 제한될 수 있습니다. 동물 실험의 많은 윤리적 문제 외에도 가장 중요한 것은 동물의 내부 환경과 인간 환경 사이에는 큰 차이가 있다는 것입니다.

즉, 인간 세포를 이용하여 체외에서 조직이나 장기의 3차원 환경을 재구성할 수 있다면 기존 솔루션의 결점을 잘 보완할 수 있고, 체외에서 조직이나 장기를 구축하는 것은 의심할 여지 없이 의약품 분야에서 널리 활용될 수 있을 것이다. 스크리닝 및 질병 메커니즘 탐색.

이것이 사람들에게 가져올 것은 정밀 의학과 개인 맞춤 의학의 도약입니다. 결국, 특히 복잡하고 희귀 한 상태를 가진 환자의 경우 각 개인의 신체 구조와 병리학 적 상태에는 특수성과 차이가 있습니다. 수술의 위험성이 높다는 점을 고려하여 의사는 3D 프린팅 기술을 이용하여 환자의 병리학적 부분을 1:1 비율로 출력할 수 있어 복잡하고 희귀하며 어려운 경우에 대한 수술 전 계획과 정밀한 드릴을 수행할 수 있습니다.

이것은 의사에게 수술 계획을 설계하기 위한 정확한 3차원 구조 데이터를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 전체 수술 과정을 미리 보고 보다 직관적이고 사실적인 전제 하에 수술 계획을 개선하여 실제 수술의 정확도를 높이고 수술 위험. 또한 다양한 환자의 경우 3D 프린팅 개인화 수술 가이드는 수술의 외상과 출혈을 효과적으로 줄이고 수술 시간을 크게 단축하며 수술의 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

따라서 3D 프린팅 기술은 전통적인 의료 기술과 비교하여 개인의 차이를 존중하고 마스터하는 것을 기반으로 진정한 개인 맞춤화를 실현하고 의료를보다 정확하게 만들 수 있습니다.

점점 더 명확해지는 미래

2003년 Clemson 대학의 Thomas Boland는 수정된 HP 프린터(h550c)와 잉크 카트리지(hp51626a), 차이니즈 햄스터 난소 세포(CHO) 및 마우스 배아 운동 신경 세포를 포함하는 PBS 버퍼를 "바이오 잉크"로 사용하여 살아있는 세포 인쇄를 성공적으로 구현했습니다. 및 대두 한천/콜라겐 겔을 "바이오 페이퍼"로 발표하였고, 세포 바이오 프린팅에 대한 첫 번째 논문을 발표하여 American Science Journal, CNN 등의 매체에 보도되었습니다. 연구팀은 2004년 첫 세포 및 장기 프린팅 특허를 출원해 2006년 특허를 획득했다. 이후 나스닥에 상장된 유명 생물 3D 프린팅 업체인 오가노보(Organovo)에 기술을 승인했다.

그 이후로 3D 프린팅된 장기도 공식적으로 개발 레인에 진입했고 재생 의학에 많은 희망을 가져왔습니다. 2010년 12월, Organovo는 Novogen MMX를 사용하여 최초의 생체 인쇄된 인간 혈관을 제조했습니다. 그 이후로 회사는 골격근, 뼈 및 간 조직의 작은 샘플을 인쇄하고 척추에 성공적으로 신경을 이식했으며 인간 이식 조직을 제조하기 위한 장기 계획을 결정했습니다. 처음에 이 주문형 인쇄는 주로 심근 복구, 신경 이식 또는 동맥 분절에 초점을 맞추었습니다. 이러한 조직은 상대적으로 작고 인쇄하기 쉽고 임상 적용 가능성도 더 크기 때문입니다.

2012년 스코틀랜드 과학자들은 인간 세포를 사용하여 처음으로 3D 프린터로 인공 간 조직을 인쇄했습니다. 같은 해 미시간대 공립의료원은 3D 프린팅 기술을 통해 인공 기관을 만들고 세계 최초로 3D 프린팅 장기 인간 이식 수술을 진행했다. 인간이 3D 프린팅된 부품을 사용하여 조직화 및 재구성을 돕는 것은 이번이 처음입니다. 2013년 5월 New England Journal of Medicine에 게재되었습니다.

2012년 12월 완전히 다른 또 다른 개발에서 Organovo는 Autodesk와 협력하여 바이오프린팅을 위한 최초의 3D 설계 소프트웨어를 생산했다고 발표했습니다. 더 많은 사용자에게 novogen MMX를 열어 바이오프린팅의 가용성과 기능을 향상시킵니다.

Organovo의 회장 겸 CEO인 Keith Murphy는 Autodesk와 회사의 새로운 파트너십의 장기 목표는 "고객이 3D 조직을 직접 설계할 수 있도록 노력한 다음 Organovo가 생산을 책임지게 하는 것"이라고 말했습니다. 조각가가 이제 보석 제조업체에 새 보석을 업로드할 수 있는 것처럼 플라스틱이나 금속 물체를 3D로 인쇄할 수 있습니다. 미래에 의사들은 동맥 이식 또는 전체 장기의 전자 모델을 바이오프린팅을 위해 Organovo에 보낼 수도 있습니다. 그러면 Organovo는 완제품을 다시 표시할 것입니다. 2012년 MIT Technology Review는 Organovo를 세계에서 가장 혁신적인 50대 기업 중 하나로 선정했으며 2010년 Time 매거진은 novogen MMX를 올해의 최고의 발명품 중 하나로 선정했습니다.

2013년 세계 최초의 개인 맞춤형 3D 프린팅 제품 픽 스컬 임플란트(미국 OPM사)가 FDA 승인을 받았습니다. 같은 해 2월 미국 코넬대 연구원들은 소의 귀 세포를 사용해 인공 귀를 3D 프린터로 인쇄해 선천성 기형 아동의 장기 이식에 사용할 수 있다는 보고서를 발표했다.

2014년 11월 Organovo는 전임상 약물 테스트를 위해 상업적으로 이용 가능한 3D 인쇄 인간 간 조직 exvive3dtm을 출시했습니다.

2015년 4월 Organovo는 보스턴에서 열린 실험 생물학 회의에서 세계 최초의 3D 바이오프린팅된 전체 세포 신장 조직 데이터를 발표했습니다. 현재 신장 조직은 정상적인 실험실 조건에서 며칠 동안만 생존할 수 있지만 Organovo의 3D 인쇄 신장 조직은 "최소 2주" 동안 지속될 수 있습니다.

중국에서는 칭화대학교의 Yan Yongnian 교수가 팀을 이끌고 2002년경 생물학적 3D 프린팅 기술 연구를 수행했습니다. 2004년에는 팀을 이끌고 세포 직접 쓰기 시스템 및 세포 프린팅을 완성하고 국제적으로 선진적인 생물학적 제조 공학을 확립했습니다. "중국 최초의 3D 프린팅 인"으로 알려진 연구소.

2013년 8월 Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd.(줄여서 regenovo)는 항저우 전자 과학 기술 대학 및 기타 대학의 과학자들과 협력하여 생물학적 재료와 살아있는 세포를 동시에 인쇄할 수 있는 3D 프린터를 성공적으로 개발했습니다. 2015년 10월, genefit은 약물 스크리닝을 위해 배치 단위로 간 단위를 성공적으로 "인쇄"한 3세대 생물학적 3D 인쇄 워크스테이션을 출시했습니다.

오늘날 3D 바이오프린팅 기술의 발전과 성숙으로 3D 바이오프린팅의 미래는 점점 더 밝아지고 있습니다.

3D 프린팅 장기 이전

그러나 밝은 미래가 그 과정이 순탄하다는 것을 의미하지는 않습니다. 결국 생물학적 3D 프린팅은 의학, 생명 과학, 재료 과학, 정보 기술, 조직 공학, 제조, 임상 시험 등의 학제 간 산업입니다. 살아있는 장기를 인쇄하기 위한 세 가지 가장 중요한 조건은 세포, 지지체 및 유도입니다.

직접 세포 조립 기술은 3D 데이터 모델에 따라 세포 또는 세포 기질 물질을 원하는 구조로 직접 조립하고 후속 배양을 통해 최종적으로 살아있는 조직 또는 장기를 형성하는 것을 말합니다.

간접 세포 조립 기술은 생체 재료로 세포 배양 지지체를 구축한 후 3D 모델을 통해 필요한 구조에 따라 지지체의 해당 위치에 세포를 부착한 후 세포가 생존하여 살아있는 조직 및 장기로 배양되도록 유도하는 기술을 말합니다.

그러나 우리는 장기 자체의 구조가 매우 복잡하고 장기에 하나 이상의 세포가 있음을 알아야 합니다. 여러 세포의 복잡한 배열을 달성하고 성장을 유지하는 방법은 여전히 ​​장기 인쇄가 직면한 어려운 문제입니다. 혈관을 예로 들어보자. 혈관은 구조가 단순해 보이지만 실제로는 다양한 세포 조직 구조(전형적인 혈관은 주로 내피, 평활근, 섬유아세포로 구성됨)가 여러 겹으로 구성되어 있을 뿐만 아니라 혈관벽은 선택적 투과성, 혈관벽의 탄력성 및 항응고 작용으로 인해 생체 내에서 병에 걸린 혈관을 대체하기 위해 시험관 내에서 활성 혈관을 제조하기가 매우 어렵습니다.

또한 어떻게 스캐폴드 재료가 인체에 무독성이고 적합하여 세포가 정상적으로 성장할 수 있는지, 어떻게 세포 성장을 유도하고, 인쇄된 기관을 활성화하고, 원래의 기관을 완전히 대체하는지도 문제입니다. 해결됩니다.

마지막으로, 그러한 장기의 사용은 인간의 본성과 도덕성에 대한 일련의 고려를 가져올 것입니다. 관련 기술을 적용할 수 있는 관대한 여론 환경은 아직 구축 중입니다. 인쇄 기관에 대한 이러한 의심은 nidi okolafer의 단편 SF 소설 "이벤트 센터"에 완전히 반영되었습니다.

소설 속 펑미 나이지리아 대통령이 심장이식 수술을 받았다는 소식이 들불처럼 퍼지며 국민적 분노를 샀다. 현재 과학자들의 추측과 달리 회장을 위해 행사장에서 준비한 인공심장은 더 이상 동물에서 유래한 것이 아니라 식물조직을 기반으로 자가줄기세포와 3D 프린팅 기술을 활용한 것이다.

소설에서는 이 기술이 성숙했지만 소설 속 미국의 수석 외과의사 이치는 여전히 수술의 효과에 대해 걱정하고 있다. izzi의 의심이 주로 기술 자체의 성공 또는 실패와 관련이 있다면, 대통령의 조카 시비와 전 장군 ochchuku가 일으킨 쿠데타는 기술이 가져온 또 다른 문제를 건드린 것입니다. 심장 이식 후 기질에 큰 변화가 있습니까? , 또는 심지어 통제의 가능성? 이 추측은 근거 없는 추측이 아닙니다. 현실 세계에서 많은 간 이식 환자는 일정 기간 내에 성격 변화를 일으키며, 그 뿌리는 거부 반응으로 인한 내분비 조절 변화일 수 있습니다.

이 걱정의 핵심은 다음과 같습니다. 사람들은 무엇입니까? 우리는 완전한 원래 기관 세트에 의존해야 합니까, 아니면 독립적으로 생각하고 행동할 수 있는 몸과 마음에 의존해야 합니까? 기술의 발전은 인간의 의지에 거의 의존하지 않지만 기술의 이중성을 경계할 필요가 있다. 기술이 좋은지 나쁜지에 대한 일련의 질문은 종종 기술 대중화 과정에서 불가피한 경로, 즉 "과거에는 엉뚱하고 지금은 어렵고, 미래에는 관례입니다." 결국, 기술이 만들어지면 그것을 최대한 활용하는 방법이 우리가 가장 신경을 써야 하는 것입니다.

3D 프린팅된 장기는 우리에게 아름다운 미래를 약속했을지 모르지만 미래가 오기 전에 우리가 해야 할 일은 이 기술을 올바르게 이해하고 기술 윤리와 사용 규칙을 부여하지 않는 것입니다. 사실 생물학적 3D 프린팅은 장기 프린팅의 독창적인 아이디어와 이식에 사용할 수 있는 살아있는 장기의 체외 프린팅은 아직 갈 길이 멉니다.

중요한 조항