bioprinting

3D Printing การปฏิวัติที่นำไปสู่วิวัฒนาการ

บทความนี้ Toolmakers ขอนำเรื่องใกล้ตัวเกี่ยวกับเทคโนโลยี 3D printing ซึ่งกำลังเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันของเรามากขึ้นเรื่อยๆ มาเล่าถึงอีกครั้ง เกี่ยวกับบทบาทในการมอบชีวิตใหม่ให้กับผู้ป่วย ด้วยการเรียนรู้ ว่าโมเดลที่ถูกต้องสามารถนำไปสู่ตัวยาที่ดีขึ้นสำหรับผู้ป่วยได้อย่างไร และหวังว่าจะช่วยให้ผู้ป่วยที่ต้องปลูกถ่ายอวัยวะบางรายสามารถผ่านพ้นช่วงเวลาอันยากลำบากไปได้เมื่ออวัยวะอันซับซ้อนสามารถถูกพิมพ์ออกมาใช้งานได้จริงในที่สุด

“We are still far from printing a beating heart, but it is not outside the realm of possibility.”

“เรายังห่างไกลจากการพิมพ์หัวใจที่เต้นได้ แต่ก็ไม่ได้อยู่นอกกรอบของความเป็นไปได้แต่อย่างใด”

Stephen Hong และ Moo-Yeal Lee
Stephen Hong และ Moo-Yeal Lee

เมื่อเร็ว ๆ นี้ Stephen Hong และ Moo-Yeal Lee จากภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวเวชศาสตร์ที่ Cleveland State University ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับความพยายามในการพิมพ์แบบจำลองเนื้อเยื่อมนุษย์แบบ 3 มิติ เนื้อหาต่อไปนี้นำมาจากบทความฉบับเต็มและจากหัวข้อ “A Look at the Future of Medical 3D Printing, Part 2.”

Bioprinting กำลังได้รับความสนใจด้วยความกระตือรือร้นของนักวิทยาศาสตร์ ว่ามันจะเป็นวิธีที่จะมาแทนที่เซลล์และเนื้อเยื่อได้เพื่อชีวิตที่ยืนยาวและสุขภาพที่ดีขึ้น ทั้งนี้ คำถามก็คือ น้ำพุแห่งวัยเยาว์สามารถบีบอัดหรือสกัดสาร (extruded or extracted) ที่เป็นวัตถุตั้งต้นจากเครื่องพิมพ์ 3D ได้หรือไม่?

Reality/ความเป็นจริง

ก่อนที่เราจะจมอยู่กับความเป็นอมตะ ลองมาโฟกัสที่ความเป็นจริงในปัจจุบันกันก่อน ตามรายงานของ NLM: “ในปี 2009 มีผู้ป่วยจำนวน154,324 รายในสหรัฐฯกำลังรอคอยอวัยวะ มีเพียง 27,996 คน หรือร้อยละ 18 ได้รับการปลูกถ่ายอวัยวะและ 8,863 ราย (คิดเป็น 25 รายต่อวัน) เสียชีวิตในขณะที่รออยู่ เมื่อต้นปี 2014 ผู้ป่วยประมาณ 120,000 รายในสหรัฐฯกำลังรอการปลูกถ่ายอวัยวะ การผ่าตัดปลูกถ่ายอวัยวะและการติดตามผลยังมีราคาแพง มีมูลค่ากว่า 300 พันล้านเหรียญในปี 2012

“ปัญหาเพิ่มเติมคือการปลูกถ่ายอวัยวะเกี่ยวข้องกับงานยากในการค้นหาผู้บริจาคที่มีเนื้อเยื่อเข้ากันได้” รายงานฉบับนี้ระบุ “ปัญหานี้อาจถูกกำจัดไปโดยการใช้เซลล์ที่นำมาจากร่างกายของผู้ป่วยที่ปลูกถ่ายอวัยวะเพื่อสร้างอวัยวะทดแทน ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงในการถูกปฏิเสธเนื้อเยื่อและความจำเป็นในการใช้ยากดภูมิต้านทานไปตลอดชีวิต”

A microsolenoid-based bioprinter allows scientists to print biological samples including human cells, viruses, hydrogels, compounds, and reagents in high throughput. This allows for higher quality and more efficient toxicity and drug testing.
bioprinter แบบ microsolenoid ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพิมพ์ตัวอย่างทางชีววิทยา ได้แก่ เซลล์มนุษย์ ไวรัส ไฮโดรเจลส์ และสารประกอบต่างๆ

Technology

ปัจจุบันเรามีเวลาอย่างน้อย 20 ปีที่จะได้เห็นอวัยวะที่ซับซ้อนถูกพิมพ์ขึ้นเพื่อช่วยชีวิตคน อย่างไรก็ตาม นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับการพิมพ์อวัยวะขนาดเล็ก ปัญหาคือการปรับขนาด การซึมผ่านหรือการกระจายของออกซิเจนจากระบบหลอดเลือดที่จะช่วยหล่อเลี้ยงบำรุงเนื้อเยื่อที่ปลูกถ่าย (มักเป็นอวัยวะเกี่ยวกับท่อหรือหลอด หลอดน้ำเหลือง หรือ เซลล์ประสาท) แต่น่าเสียดายที่เมื่อเนื้อเยื่อที่ออกแบบมามีขนาดเกิน 150-200 ไมโครเมตรไม่สามารถรองรับการซึมผ่านของออกซิเจนระหว่างเนื้อเยื่อของหลอดเลือดและเนื้อเยื่อที่ปลูกได้ ซึ่งนั่นหมายถึงอวัยวะที่ซับซ้อน นักวิทยาศาสตร์จะต้องหาทางปรับขนาดด้วยโครงสร้างเซลล์ขั้นสูงที่มีเครือข่ายหลอดเลือดรวมอยู่ในส่วนนี้

bioprinting
หัวจ่ายตัวอย่างที่มี microsolenoid valves หกตัวและกล้องตรวจสอบ ตัวอย่างชีวภาพสามารถบรรจุลงบนแผ่น 96 แผ่นแล้วพิมพ์ลงบน 384PillarPlate เพื่อการวิเคราะห์ที่ง่ายขึ้น

Bioinks/หมึกชีวภาพ

ในรายงานของ Hong และ Lee ได้กล่าวถึง bioinks ที่จะช่วยให้สามารถพิมพ์เซลล์ที่มีชีวิตได้ Bioinks เป็นส่วนผสมของเซลล์ของมนุษย์ ไฮโดรเจล growth factors หรือ ปัจจัยการเจริญเติบโต และสารเคลือบเซลล์ (ECMs) bioinks เหล่านี้สามารถใช้ในการพิมพ์แบบ 3 มิติเพื่อเป็นโมเดลของโรคใช้ในการประเมินการให้ยารักษา ทั้งนี้ สิ่งที่น่าสนใจอย่างมากประการหนึ่งเกี่ยวกับการพิมพ์เนื้อเยื่อมนุษย์แบบ 3 มิติ ก็คือ มูลค่าการตลาด จากประมาณการประมาณ 295 ล้านเหรียญในปี 2016 คาดว่าขนาดตลาดทั่วโลกจะเติบโตขึ้นไปอยู่ที่ประมาณ 1.8 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2021 อ้างอิงจากรายงานของ BCC Research ทั้งนี้ มูลค่าเหล่านี้ขึ้นอยู่กับแอพพลิเคชั่นของการพิมพ์เนื้อเยื่อแบบ 3 มิติ ซึ่งรวมถึงการสร้างแบบจำลองของเนื้อเยื่อที่มีโรค การทดสอบพิษวิทยาวิศวกรรมเนื้อเยื่อ และการปลูกถ่ายผิวหนัง

ตัวอย่างเช่น เซลล์เนื้องอกที่สกัดจากตัวอย่างเนื้อเยื่อสามารถพิมพ์และเติบโตเต็มที่ในห้องปฏิบัติการเพื่อสร้างแบบจำลองเนื้องอกที่เฉพาะเจาะจงสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการหาคำนวณหาตัวยาเพื่อการรักษามะเร็งแบบรายบุคคลได้ แม้ว่าจะมีความท้าทายด้านเทคนิคอยู่บ้างก็ตาม แต่ก็มีอนาคตที่สดใสรออยู่สำหรับเทคโนโลยี bioprinting แบบ 3 มิติ

แอพพลิเคชั่นด้านการรักษาของการพิมพ์เนื้อเยื่อด้วย Bioprinting

ในขณะที่เราไม่สามารถพิมพ์อวัยวะที่ซับซ้อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ การพิมพ์โมเดลสามารถช่วยปรับปรุงการทดสอบยาและสร้างยาที่กำหนดเองสำหรับแต่ละบุคคลได้ ในขณะที่สารยึดติด หรือ powder binders สามารถกำหนดขนาดยาและการให้ยาตามเวลาได้เองอย่างแม่นยำ Bioprinting สามารถใช้แบบจำลองที่ถูกต้องตามสิทธิบัตรเพื่อทดสอบว่าจะส่งผลต่อผู้ป่วยอย่างไร ก่อนทำการทดสอบกับบุคคล นอกจากนี้ความสามารถในการพิมพ์สำเนาของมนุษย์ที่ถูกต้องจะช่วยลดการทดสอบยาในสัตว์จึงหลีกเลี่ยงความกังวลด้านจริยธรรมและความถูกต้อง

Automation banner

Drugs in CAD

ในขณะที่ซอฟต์แวร์เป็นสิ่งสำคัญที่จะนำข้อมูลจากผู้ป่วยไปทำแบบจำลอง การจำลองของ CAD จะช่วยลดขั้นตอนและช่วยลดเวลาในการอนุมัติของ FDA ทั้งนี้ องค์การอาหารและยามักจะอนุมัติยาเฉพาะสำหรับยาที่ใช้แบบเฉพาะเจาะจง ซึ่งหมายความว่าการให้ยาแบบกำหนดเองอาจใช้เวลาอนุมัตินานกว่ามากกว่าที่จะมีผลต่อผู้ป่วย อย่างไรก็ตาม Dassault Systemes แสดงให้เห็นถึงความศักยภาพของซอฟต์แวร์ CAD ในการสร้างผู้ป่วยดิจิตอล

การใช้ข้อมูลจากผู้ป่วยจริง คุณสมบัติทางเคมี และความเข้าใจในร่างกายมนุษย์ทำให้กลุ่มผู้ป่วยดิจิตอลสามารถให้ผลการทดสอบได้แม่นยำมากกว่าการทดสอบกับสัตว์ นอกเหนือจากข้อกังวลด้านจริยธรรมและความถูกต้องดังกล่าวแล้วยังจะช่วยลดเวลาในการอนุมัติจาก FDA เพื่อเริ่มการทดลองในการรักษาด้วย ระหว่างเทคโนโลยีซอฟต์แวร์กับแบบจำลอง bioink ที่ถูกต้อง การให้ยาแบบกำหนดเองอาจช่วยให้การอนุมัติของ FDA ง่ายขึ้นสำหรับผู้ป่วยที่ต้องการเพียงแค่ยาในขนาดที่เหมาะสมด้วยความปลอดภัยและคุณภาพตามที่ FDA ต้องการ

ตัวอย่างเช่น bioprinting และ bioinks สามารถใช้เซลล์เนื้องอกที่สกัดจากตัวอย่างชิ้นเนื้อเยื่อเพื่อนำไปพิมพ์และเจริญเติบโตเต็มที่ในห้องปฏิบัติการเพื่อสร้างแบบจำลองเนื้องอกสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย จากนั้นแบบจำลองสามารถกรั่นกรองหรือคัดเลือกตัวยารักษาโรคเพื่อหาวิธีการรักษามะเร็งแบบรายบุคคลได้ ทั้งนี้  ด้วยอัตราความสำเร็จที่ต่ำมากของการบำบัดรักษาโรคมะเร็งในปัจจุบัน ซึ่งเป็นวิธีการใช้ยา หรือ สารบางตัวที่ไปยับยั้งการเจริญเติบโต และ การแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง (gene-targeted cancer therapy) วิธีการ bioprinting 3D อาจเป็นทางเลือกที่ดีอย่างหนึ่ง

bioprinter
An injection-molded 384PillarPlate loaded on a bioprinter for layered cell printing and culture.

ในขณะที่อวัยวะที่ซับซ้อนยังคงอยู่ในกระบวนการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับการปรับขนาดเพื่อให้เนื้อเยื้อสามารถเข้ากันได้ กระทั่งไม่ต้องปลูกถ่ายอวัยวะซึ่งมีความเสี่ยงเรื่องการปฏิเสธเนื้อเยื่ออีกต่อไป bioprinting ยังคงหาที่ทางในการเข้าสู่อุตสาหกรรมการแพทย์ แบบจำลองสำหรับการคัดเลือกยารักษาจึงยังเป็นเพียงวิธีการหนึ่งที่bioprinting 3D จะเข้ามามีบทบาทในการเปลี่ยนชีวิตของเรา

 

ที่มา: www.machinedesign.com

  • 2
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Categories