3D Printing การปฏิวัติที่นำไปสู่วิวัฒนาการ

บทความนี้ Toolmakers ขอนำเรื่องใกล้ตัวเกี่ยวกับเทคโนโลยี 3D printing ซึ่งกำลังเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันของเรามากขึ้นเรื่อยๆ มาเล่าถึงอีกครั้ง เกี่ยวกับบทบาทในการมอบชีวิตใหม่ให้กับผู้ป่วย ด้วยการเรียนรู้ ว่าโมเดลที่ถูกต้องสามารถนำไปสู่การรักษาที่ดีขึ้นสำหรับผู้ป่วยได้อย่างไร และหวังว่าจะช่วยให้ผู้ป่วยที่ต้องปลูกถ่ายอวัยวะบางรายสามารถผ่านพ้นช่วงเวลาอันยากลำบากไปได้ เมื่ออวัยวะอันซับซ้อนสามารถถูกพิมพ์ออกมาใช้งานได้จริงในที่สุด

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

“เรายังห่างไกลจากการพิมพ์หัวใจที่เต้นได้ แต่ก็ไม่ได้อยู่นอกกรอบของความเป็นไปได้แต่อย่างใด”

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

Bioprinting กำลังได้รับความสนใจด้วยความกระตือรือร้นของนักวิทยาศาสตร์ ว่ามันจะเป็นวิธีที่จะมาแทนที่เซลล์และเนื้อเยื่อได้เพื่อชีวิตที่ยืนยาวและสุขภาพที่ดีขึ้น แต่คำถามก็คือ น้ำพุแห่งวัยเยาว์สามารถถูกบีบอัดหรือสกัดสาร (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”

Technology

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

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

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

ในขณะที่อวัยวะที่ซับซ้อนยังคงอยู่ในกระบวนการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับการปรับขนาดเพื่อให้เนื้อเยื้อสามารถเข้ากันได้ กระทั่งไม่ต้องปลูกถ่ายอวัยวะซึ่งมีความเสี่ยงเรื่องการปฏิเสธเนื้อเยื่ออีกต่อไป bioprinting ยังคงหาที่ทางในการเข้าสู่อุตสาหกรรมการแพทย์ แบบจำลองสำหรับการคัดเลือกยารักษาจึงยังเป็นเพียงวิธีการหนึ่งที่bioprinting 3D จะเข้ามามีบทบาทในการเปลี่ยนชีวิตของเรา

ที่มา: www.machinedesign.com

About The Author