Եռաչափ բիոտպագրություն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Jump to navigation Jump to search

Եռաչափ (3D) բիոտպագրություն (կենսատպագրություն, բիոպրինտինգ), 3D տպագրության կամ նմանատիպ տեխնոլոգիաների կիրառումն է կենսաբժշկական գիտությունների մեջ՝ բնական հյուսվածքների հատկություններն առավելագույնս նմանակող հատուկ կառուցվածքների ստացման նպատակով[1]: 3D բիոտպագրության մեջ կիրառվում են բջիջների, աճի գործոնների և կենսանյութերի (բիոմատերիալների) համադրություններ, որոնք բոլորը միասին (3D բիոտպագրության համատեքստում) ընդունված է անվանել բիոթանաքներ: Սովորաբար 3D բիոպագրությունն այդ բիոթանաքներով իրականացվում է շերտ առ շերտ կերպով, ինչի արդյունքում ստեղծվում են հյուսվածքանման կառուցվածքներ, որոնք այնուհետև կիրառվում են բժշկության և հյուսվածքային ինժեներիայի ոլորտներում: Բիոտպագրության մեջ կիրառվում են բազմազան կենսանյութեր:

Ներկայումս բիոտպագրությամբ հնարավոր է ստանալ հյուսվածքներ և օրգանանման կառուցվածքներ, որոնք կարող են օգտագործվել դեղերի և տարբեր քիմիական նյութերի փորձարկումների և մշակման ոլորտներում[2]: Սակայն, որպես նորարարական և հեռանկարային տեխնոլոգիա, արժե նշել բջիջների և/կամ արտաբջջային նյութի բիոտպագրությունը հատուկ գելի տեսքով, որից հետագայում կարելի է ստանալ անհրաժեշտ հյուսվածքը կամ օրգանը[3]: Այսպիսի կառուցվածքները պոտենցիալ կարող են օգտագործվել, օրինակ, հոդերի կամ կապանների վերականգնման մեջ[4]:

Գործընթաց[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Երիկամի պրոքսիմալ ոլորուն խողովակների 3D բիոտպագրություն պերֆուզացվող չիպերի վրա

3D բիոտպագրության գործընթացը սովորաբար ներառում է 3 փուլ՝ նախա-բիոտպագրություն (պրե-բիոպրինտինգ), բիոտպագրություն (բիոպրինտինգ) և հետ-բիոտպագրություն (պոստ-բիոպրինտինգ)[5][6]:

Նախա-բիոտպագրություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Նախա-բիոտպագրության մեջ ներառվում է տպագրվելիք եռաչափ վիրտուալ մոդելի ստեղծումը և տպագրության մեջ կիրառվելիք նյութերի ընտրությունը:

Նախ՝ պետք է ուսումնասիրել տվյալ օրգանը, որի վերականգնման համար դիտարկվում է 3D բիոտպագրությունը: Ընդունված մեթոդներից են՝ համակարգչային շերտագրությունը (ՀՇ) և մագնիսառեզոնանսային շերտագրությունը (ՄՌՇ): Շերտ առ շերտ տպագրելու նպատակով՝ կատարվում է ստացված պատկերների տոմոգրաֆիկ ռեկոնստրուկցիա, և ապա այս տեղեկություններն ուղարկվում են եռաչափ բիոպրինտերին (բիոտպիչ):

Հաջորդ քայլերն են՝ անհրաժեշտ բջիջների անջատումը (կարող է իրականացվել բիոպսիայի միջոցով) և լաբորատոր պայմաններում կուլտիվացիայի միջոցով բջիջների քանակի ավելացումը[5]: Ապա այս բջիջները խառնվում են հատուկ հեղուկացված նյութի հետ, որը բջիջներին ապահովում է գոյատևման համար անհրաժեշտ թթվածնի և սննդանյութերի փոխանակությունը։ Որոշ դեպքերում բջիջներն ընդգրկվում են մոտ 500մկմ տրամագծով բջջային սֆերոիդներում, և այս դեպքում անհրաժեշտ են լինում հատուկ մոտեցումներ[7]:

Բիոտպագրություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Երկրորդ փուլում բջիջների, կենսանյութերի (որոնք ծառայելու են բջիջների համար որպես հենարան՝ սքաֆոլդ) և սննդանյութերի/աճի գործոնների խառնուրդները՝ բիոթանաքները, տեղադրվում են 3D-տպիչի քարթրիջում և իրականացվում է տպագրությունը՝ նախապես ստեղծված վիրտուալ եռաչափ մոդելի հիման վրա (վերջինս ստանալու համար հաճախ հիմք են ծառայում ՀՇ/ՄՌՇ պատկերները կամ մասնագետների կողմից ստեղծված եռաչափ մոդելները)[8]: Երբ բիոտպագրված կառուցվածքը (այսպես կոչված՝ նախա-հյուսվածք) տեղափոխվում է ինկուբատոր, այն սկսում է հասունանալ՝ վերածվելով հյուսվածքի[9]:

Կենսաբանական կառուցվածքների 3D տպագրության ընթացքում, որպես օրենք, բջիջները տեղաբաշխվում են կենսահամատեղելի սքաֆոլդի մեջ (3D տպագրության մեջ սրանք, որպես օրենք, հիդրոգելեր են), և ապա դրանցից շերտ առ շերտ ստեղծվում են հյուսվածքանման եռաչափ կառուցվածքները[10]: Այդ կառուցվածքները սկզբում կարող են լինել գելի տեսքով: Տպագրված գելանման կառուցվածքի մեխանիկական հատկությունները, ինչպես նաև էլաստիկության և մածուցիկության պարամետրերը բարելավելու նպատակով այն հնարավոր է ենթարկել ֆիզիկական և/կամ քիմիական հատուկ ներգործության, որը կոչվում է քրոսլինքինգ կամ գելացում:

3D բիոտպագրության մեթոդներով արտադրված օրգանների մեծ մասի ստացման տեխնոլոգիաները դեռևս գտնվում են իրենց զարգացման վաղ փուլերում: Այս մեթոդներով ստացված արհեստական օրգաններում (օր.՝ լյարդ, երիկամ), դեռևս չի հաջողվում ստեղծել օրգանների որոշ կարևորագույն բաղադրիչներ՝ աշխատող արյունատար անոթներ, հավաքող խողովակներ, ինչպես նաև հնարավոր չի լինում ապահովել բջիջների միլիարդավոր քանակները, որոնք անհրաժեշտ էն օրգանի պատշաճ աշխատանքի համար: Առանց նշված բաղադրիչների՝ հնարավոր չի լինում ապահովել օրգանների ներսում անհրաժեշտ սննդանյութերի և թթվածնի քանակները, ինչպես նաև օրգանի լիարժեք ֆունկցիան[10]:

Հաշվի առնելով, որ օրգանիզմում ցանկացած հյուսվածք կազմված է բջիջների տարբեր տեսակներից, բիոտպագրման տարբեր մեթոդներ միմյանցից տարբերվում են ըստ տպագրման ընթացքում բջիջների կայունությունն ու կենսունակությունն ապահովելու ունակության: 3D բիոտպագրության մեջ կիրառվող մեթոդներից են ֆոտոլիթոգրաֆիան, մագնիսական բիոտպագրությունը, ստերեոլիթոգրաֆիան և բջիջների ուղղակի արտամղումը[7]:

Հետ-բիոտպագրություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Հետ-բիոտպագրության գործընթացն անհրաժեշտ է կենսաբանական նյութից կայուն կառուցվածք ստանալու նպատակով: Եթե այս գործընթացը պատշաճ կերպով չի ապահովվում, ապա եռաչափ տպագրված օբյեկտի մեխանիկական ամբողջականությունը և ֆունկցիան ռիսկի տակ են դրվում[5]: Օբյեկտը պահպանելու համար անհրաժեշտ են մեխանիկական և քիմիական խթաններ: Այս խթաններն ազդակ են տալիս բջիջներին, ինչի միջոցով կարգավորվում են հյուսվածքների աճի և վերակառուցման (ռեմոդելինգ) գործընթացները: Բացի այդ, վերջերս սկսել են կիրառվել հատուկ սարքեր՝ բիոռեակտորներ (կենսառեակտորներ)[1], որոնք նպաստում են այդ հյուսվածքների արագ հասունացմանը, անոթավորմանը և թույլ տալիս տպագրված հյուսվածքներին փոխպատվաստման դեպքում պահպանել իրենց կառուցվածքն ու ֆունկցիաները[6]:

Բիոռեակտորներն աշխատում են նշված սկզբունքներից մեկով կամ մի քանիսով. սննդանյութերի փոխադրման ապահովում, միկրոգրավիտացիոն պայմանների ստեղծում, ճնշումը փոփոխելու եղանակով հյուսվածքի միջով տարբեր լուծույթների հոսքի ապահովում, դինամիկ կամ ստատիկ ծանրաբեռնման համար կոմպրեսիայի ապահովում և այլն: Բիոռեակտորների ցանկացած տեսակ համապատասխանում է որևէ կոնկրետ հյուսվածքի տեսակի, օրինակ՝ կոմպրեսիոն բիոռեակտորները կատարյալ են աճառային հյուսվածքի համար[7]:

Բիոտպագրության մեթոդաբանություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Այս ոլորտի մասնագետները մշակել են տարբեր մեթոդներ, որոնք հարմարեցված են համապատասխան կենսաբանական և մեխանիկական հատկանիշներով օժտված կենդանի օրգանների կամ հյուսվածքների ստացման նպատակներին: 3D բիոտպագրության 3 հիմնական մոտեցումները հետևյալն են՝ կենսանմանակում, ավտոնոմ ինքնահավաքում և մանր հյուսվածքային կառուցման բլոկեր[11]:

Կենսանմանակում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Բիոտպագրության առաջին մոտեցումը կոչվում է կենսանմանակում (բիոմիմիկրիա): Այս մոտեցման հիմնական նպատակն է՝ ստեղծել այնպիսի կառուցվածքներ, որոնք նույնական կլինեն մարդու օրգանիզմում հանդիպող հյուսվածքների և օրգանների բնական կառուցվածքին: Կենսանմանակման դեպքում պահանջվում է կրկնել օրգանների կամ հյուսվածքների ձևը, ներքին կառուցվածքը և միկրոմիջավայրը[12]: Բիոպրինտինգի մեջ կենսանմանակման կիրառման դեպքում պետք է նույնական կերպով ստեղծել օրգանների թե՛ բջջային, և թե՛ արտաբջջային մասերը: Որպեսզի այս մեթոդը հաջողված լինի, պետք է հյուսվածքները կրկնօրինակվեն միկրոսկոպիկ մակարդակով: Հետևաբար՝ անհրաժեշտ է ուսումնասիրել և հասկանալ տվյալ օրգանի կամ հյուսվածքի միկրոկառուցվածքը, միկրոմիջավայրում առկա կենսաբանական գործոնների բնույթը, հյուսվածքում բոլոր տեսակի բջիջների հստակ փոխդասավորությունը, ինչպես նաև արտաբջջային մատրիքսի կառուցվածքն ու կազմությունը[11]:

Ավտոնոմ ինքնահավաքում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Բիոտպագրության երկրորդ մոտեցումն ավտոնոմ ինքնահավաքումն է: Այս մեթոդը հիմնվում է սաղմնային զարգացման մոդելի վրա՝ կիրառելով ցողունային բջիջներ կամ սաղմնային բջջային էլեմենտներ, որոնք պետք է ինքնակազմակերպվեն և ձևավորեն պահանջվող հյուսվածքը[12]: Երբ բջիջներն իրենց զարգացման վաղ փուլում են, դրանք ինքնուրույն ձևավորում են իրենց արտաբջջային մատրիքսի կառուցվածքային միավորները, ապահովում անհրաժեշտ ազդանշանները, և անկախ կերպով կազմակերպվում՝ ընդունելով պատշաճ դասավորություն և միկրոարխիտեկտուրա, ինչպես նաև կատարելով պահանջվող կենսաբանական ֆունկցիաները[11]: Այս մեթոդը զարգացնելու և մշակելու համար անհրաժեշտ է ավելի խորապես ուսումնասիրել սաղմի օրգանիզմում հյուսվածքների և օրգանների զարգացման մեխանիզմները[12]: Գոյություն ունի «առանց սքաֆոլդ» մոդելը, որի դեպքում կիրառվում են ինքնահավաքվող սֆերոիդներ, որոնք միացվում են և ենթարկվում վերակառուցումների, որպեսզի ստանան զարգացող հյուսվածքներ հիշեցնող կառուցվածք: Ավտոնոմ ինքնահավաքման դեպքում բջիջը դիտարկվում է որպես հյուսվածքների առաջացման գործընթացի (հիստոգենեզի) հիմնական առաջ մղող ուժ, որն ուղղորդում է հյուսվածքների կառուցվածքային և ֆունկցիոնալ հատկանիշների ձևավորումը: Այս մեթոդով աշխատելու համար անհրաժեշտ են սաղմնային հյուսվածքների առաջացման գործընթացների և բիոտպագրման համար անհրաժեշտ միկրոմիջավայրերի ստեղծման եղանակների վերաբերյալ հիմնավոր գիտելիքներ[11]:

Մանր հյուսվածքային կառուցման բլոկերով բիոտպագրություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Բիոտպագրության երրորդ մոտեցումն իրենից ներկայացնում է կենսանմանակման և ինքնահավաքման մեթոդների համադրություն, որը կոչվում է մանր հյուսվածքների կամ մինի-հյուսվածքների մեթոդ[13]: Օրգանները և հյուսվածքները կազմված են շատ մանր ֆունկցիոնալ բաղադրիչներից: Այս մեթոդի դեպքում վերցվում են այդ բաղադրիչները և դրանց ճիշտ դասավորման արդյունքում ստացվում են ավելի մեծ կառուցվածքներ[12][11]:

Տպիչներ (պրինտերներ)[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

3D Bioprinting Solutions ընկերության կողմից արտադրված եռաչափ բիոտպիչ

Հասարակ տպիչների նմանությամբ՝ բիոտպիչներն ունեն երեք հիմնական բաղադրիչ՝ օգտագործվող սարքավորումը, բիոթանաքը և այն նյութը, որի վրա կատարվում է տպագրությունը (այդ նյութերը նույնպես լինում են կենսանյութեր)[5]: Բիոթանաքը սովորաբար այնպիսի նյութ է, որը պարունակում է կենդանի բջիջներ և ունի հեղուկանման հատկություններ, ինչի շնորհիվ հնարավոր է լինում այն «տպել» և դրանից ստանալ պահանջվող կառուցվածքը: Բիոթանաքը ստեղծելիս գիտնականները բջիջներից և տարբեր նյութերից ստանում են հատուկ շիլայանման զանգված, որն ապա հնարավոր է լինում լցնել քարթրիջի մեջ և տեղադրել հատուկ տպիչի մեջ: Հաճախ լինում է նաև մեկ այլ քարթրիջ, որը պարունակում է օժանդակ նյութերից կազմված գել (որը երբեմն անվանվում է «բիո-թուղթ»)[14]:

Գոյություն ունի բիոտպագրության մեջ կիրառվող տպիչների մի քանի տարատեսակ: Դրանցով տպագրության հիմնական տեսակներն են՝ թանաքա-շիթային (inkjet-based) տպագրություն, արտամղմամբ (extrusion-based) տպագրություն, ինչպես նաև լազերային օժանդակմամբ (laser-assisted) տպագրություն: Թանաքա-շիթային բիոտպիչները սսովորաբար օգտագործվում են արագ և մեծամասշտաբ բիոտպագրության համար: Այդպիսի տպիչների տեսակներից մեկը, որը կոչվում է drop-on-demand, տպագրությունն իրականացնում է հստակ չափաքանակներով՝ նվազագույնի հասցնելով նյութերի ավելորդ ծախսը[15]: Տպիչներում նաև կարող են կիրառվել հատուկ լազերներ. այսպիսի բիոպրինտերներն ունեն բարձր ճշգրտություն, սակայն հաճախ դրանց գինը շատ ավելի թանկ է: Արտամղմամբ աշխատող պրինտերները տպում են բջիջները շերտ առ շերտ՝ հասարակ 3D տպագրության տեխնոլոգիաների նմանությամբ[16][17]: Այսպիսի տպիչներում բջիջների հետ միասին կարող են օգտագործվել նաև հիդրոգելեր[5]:

Ազդեցություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

3D բիոտպագրության զարգացումը մեծ ներդրում ունեցավ բժշկության ճյուղ հանդիսացող հյուսվածքային ինժեներիայի ոլորտի զարգացման մեջ՝ թույլ տալով գիտնականներին իրենց հետազոտություններն իրականացնել նորարարական տեխնոլոգիաներով՝ կիրառելով բիոմատերիալներ: Ինչպես վերևում նշվեց՝ բիոմատերիալներն այնպիսի նյութեր են, որոնք հարմարեցված են և կիրառվում են եռաչափ կենսաբանական օբյեկտների տպագրության համար: Այդպիսի նյութերից որոշները հաճախ ավելի ամուր են, քան օրգանիզմում հանդիպող բնական հյուսվածքները (փափուկ հյուսվածքներ կամ ոսկրեր): Այսպիսի կառուցվածքները ապագայում կարող են կիրառվել որպես օրգանիզմի բնական հյուսվածքների փոխարինիչներ, կամ կարող են նույնիսկ աշխատել ավելի արդյունավետ, քան բնական հյուսվածքները: Օրինակ՝ ալգինատը անիոնային պոլիմեր է, որն ունի բազմաթիվ կենսաբժշկական կիրառություններ՝ շնորհիվ իր բարձր կենսահամատեղելիության, ցածր տոքսիկության, ամուր կառուցվածքի և հեշտ կիրառելիության [18]: Հաճախ կիրառվում են նաև սինթետիկ հիդրոգելեր, այդ թվում՝ PV-ի վրա հիմնված գելեր: Թթվային նյութի և UV-գործարկմամբ PV-ի վրա հիմնված քրոսլինքերների կիրառումը գնահատվել է Ուեյք Ֆորեսթի բժշկական ինստիտուտի (Wake Forest Institute of Medicine) կողմից և ճանաչվել է որպես հարմար բիոմատերիալ[19]: Կիրառվում են նաև այլ տարբերակներ, օրինակ՝ տպագրվում են հատուկ միկրոխողովակներ, որոնք մեծացնում են սննդանյութերի և թթվածնի դիֆուզիան հարևան հյուսվածքներից[8]: Բացի այդ՝ գիտնականները նպատակ ունեն ստեղծել օրգանների մանր տարբերակներ՝ սիրտ, լյարդ, թոքեր՝ նոր դեղամիջոցների փորձարկման նպատակով, ինչը պոտենցիալ կերպով կարող է նվազեցնել փորձերում կիրառվող փորձարարական կենդանիների պահանջվող քանակը[8]:

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. 1,0 1,1 Singh Deepti, Thomas Daniel (2018-05-18)։ «Advances in medical polymer technology towards the panacea of complex 3D tissue and organ manufacture»։ American Journal of Surgery 217 (4): 807–808։ ISSN 1879-1883։ PMID 29803500։ doi:10.1016/j.amjsurg.2018.05.012 
  2. «Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels»։ Science Advances 1 (9): e1500758։ 23 October 2015։ PMC 4646826։ PMID 26601312։ doi:10.1126/sciadv.1500758 
  3. Thomas Daniel J. (August 2016)։ «Could 3D bioprinted tissues offer future hope for microtia treatment?»։ International Journal of Surgery 32: 43–44։ PMID 27353851։ doi:10.1016/j.ijsu.2016.06.036 
  4. Nakashima Yasuharu, Okazak Ken, Nakayama Koichiet, Okada Seiji, Mizu-uchi Hideki (January 2017)։ «Bone and Joint Diseases in Present and Future»։ Fukuoka Igaku Zasshi = Hukuoka Acta Medica 108 (1): 1–7։ ISSN 0016-254X։ PMID 29226660 
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Shafiee Ashkan, Atala Anthony (2016-03-01)։ «Printing Technologies for Medical Applications»։ Trends in Molecular Medicine 22 (3): 254–265։ PMID 26856235։ doi:10.1016/j.molmed.2016.01.003 
  6. 6,0 6,1 Ozbolat Ibrahim T. (2015-07-01)։ «Bioprinting scale-up tissue and organ constructs for transplantation»։ Trends in Biotechnology 33 (7): 395–400։ PMID 25978871։ doi:10.1016/j.tibtech.2015.04.005 
  7. 7,0 7,1 7,2 Chua, C.K., Yeong, W.Y. (2015)։ Bioprinting: Principles and Applications։ Singapore: World Scientific Publishing Co։ էջ 296։ ISBN 9789814612104։ Վերցված է 17 February 2016 
  8. 8,0 8,1 8,2 Cooper-White, M. (1 March 2015)։ «How 3D Printing Could End The Deadly Shortage Of Donor Organs»։ Huffpost Science։ TheHuffingtonPost.com, Inc։ Վերցված է 17 February 2016 
  9. Thomas Daniel J. (2016-01-01)։ «Could 3D bioprinted tissues offer future hope for microtia treatment?»։ International Journal of Surgery (en-gb) 32: 43–44։ doi:10.1016/j.ijsu.2016.06.036 
  10. 10,0 10,1 Harmon, K. (2013)։ «A sweet solution for replacing organs»։ Scientific American 308 (4): 54–55։ doi:10.1038/scientificamerican0413-54։ Արխիվացված օրիգինալից-ից 2016-02-17-ին։ Վերցված է 17 February 2016 
  11. 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 Murphy Sean, Atala Anthony (August 5, 2014)։ «3D bioprinting of tissues and organs»։ Nature Biotechnology 32 (8): 773–85։ PMID 25093879։ doi:10.1038/nbt.2958 
  12. 12,0 12,1 12,2 12,3 Yoo James, Atala Anthony (2015)։ «Bioprinting: 3D printing comes to life»։ Manufacturing Engineering 
  13. Thomas Daniel, Singh Deepti (2018-06-12)։ «Novel techniques of engineering 3D vasculature tissue for surgical procedures»։ The American Journal of Surgery (անգլերեն)։ ISSN 0002-9610։ doi:10.1016/j.amjsurg.2018.06.004 
  14. John J Manappallil (2015)։ Basic Dental Materials։ JP Medical Ltd։ ISBN 9789352500482 
  15. «3D Printing Technology At The Service Of Health»։ healthyeve։ Վերցված է 4 August 2016 
  16. Zolfagharian Ali, Abbas Z. Kouzani, Sui Yang Khoo, Bijan Nasri-Nasrabadi, Akif Kaynak (2017)։ «Development and analysis of a 3D printed hydrogel soft actuator»։ Sensors and Actuators A: Physical (ScienceDirect) 265: 94–101։ doi:10.1016/j.sna.2017.08.038 
  17. Zolfagharian Ali, Abbas Z. Kouzani, Sui Yang Khoo, Ian Gibson, Akif Kaynak (2017)։ «3D printed hydrogel soft actuators»։ Region 10 Conference (TENCON), 2016։ IEEE։ էջեր 2272–2277։ doi:10.1109/TENCON.2016.7848433 
  18. Crawford, M. (May 2013)։ «Creating Valve Tissue Using 3-D Bioprinting»։ ASME.org։ American Society of Mechanical Engineers։ Վերցված է 17 February 2016 
  19. Murphy, S.V., Skardal, A., Atala, A. (2013)։ «Evaluation of hydrogels for bio-printing applications»։ Journal of Biomedical Materials Research Part A 101A (1): 272–84։ PMID 22941807։ doi:10.1002/jbm.a.34326 

Գրականություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]