الطباعة ثلاثية الأبعاد ومحاولات لعمل الأعضاء البشرية

رأى إريك غاتنهولم لأول مرة الطابعة الحيوية ثنائية الأبعاد في أوائل عام 2015, اشترى والده، بول، أستاذ في الكيمياء وتكنولوجيا البوليمرات الحيوية في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في غوتنبرغ، واحدة لقسمه، وكانت تكلفته في المنطقة  200 ألف دولار, "كان والدي يحب،" هذا الشيء حيث كان يمكنه طباعة الأعضاء البشرية، ", "قلت في نفسي أن هذا،" هراء! "ثم طبعت قطعة صغيرة من الغضروف, لم يكن غضروف، ولكن كان مثله، قلت هذا يمكن أن يكون الغضروف, في تلك الحظة كان يبدو بالنسبة لي، جهاز غريب لطيف.

ويملك غاتنهولم، طابعة ثلاثية الأبعاد عادية، قرر بعد ذلك أنه يريد أن يفعل شيئًا في الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد, قد تكون لغته تميل قليلًا إلى بيل & تيد – حيث نشأ بين السويد والولايات المتحدة، حيث كان والده أستاذًا زائرًا - ولكن نواياه وطموحاته خطيرة جدًا، وبدأ غاتنهولم أول شركة للتكنولوجيا الحيوية في سن 18 عامًا، وأدرك أنه إذا كان هذا الجهاز لديه القدرة على طباعة الأجهزة، كما قال والده، فإنه سيكون لديه القدرة على القيام بتغيير جذري في عالم الطب, حيث أن هناك نقص عالمي في الأجهزة المتاحة لعمليات الزرع المنقذة للحياة, في بريطانيا، على سبيل المثال، يمكنك أن تتوقع الآن أن تنتظر 944 يومًا - أكثر من عامين ونصف العام - لعملية زرع الكلى, هناك نقص مماثل في الكبد والرئتين وغيرها من الأجهزة.

ويعتبر السبب الرئيسي إلى حدوث الوفاة هو عدم وجود أنسجة زرع في الولايات المتحدة الأميركية, يمكن منع أو تأخير حوالي 900000 حالة وفاة سنويًا، أو نحو ثلث وفيات الولايات المتحدة، من خلال زرع الأعضاء أو الأنسجة المصنعة هندسيًا, الطلب، ببساطة، لا نهاية لها.

وقدم والد غاتنهولم إلى هيكتور مارتينيز، أحد طلابه الذين كانوا يحملون شهادة الدكتوراه في هندسة الأنسجة، كما شارك في وقت مبكر طالب آخر، إيفان تورنيه، في العصف الذهني, يقول جاتنهولم، الذي يبلغ من العمر 27 عامًا، طويلًا وسيما بالمعايير السويدية: "كنا نتحدث عن إجراء بعض التجارب", "لذلك قلت:" لماذا لا نبحث على الانترنت ونقوم بشراء الحبر الذي نحتاجه؟ "وقال إيفان،" حسنًا، ليس هناك حبر, لا يمكنك شرائه, هناك مجموعة من الطابعات في السوق، ينقصنا فقط شراء الحبر, وقال: "لا، أنت لا تفهم، لا يوجد حبر. عليك أن تصنعه بنفسك.

وظهرت خلية الحبر "سيلينك" في هذه اللحظة في يناير/كانون الثاني 2016, على الرغم من أن التكنولوجيا هي نتاج الخيال العلمي، إلا أن مبدأ الأعمال كلاسيكي "الحلاقة وشفرات", في هذا النموذج، الذي يعدوإلىعمر المخترع كينغ جيليت، في مطلع القرن الماضي، كنت تستخدم الشفرات للحلاقة, وتقوم بتركيبها على الماكينات وتعيد تغيير الشفرات مرارًا وتكرارًا, وكذلك الطابعات النافثة للحبر: الجميع يعرف ستبدال خراطيش الحبر، إلا أن في الطباعة البيولوجية، غاتنهولم ومارتينيز وضعوا وجلبت أول بيوينك موحدة في العالم: وهي مصنوعة في المقام الأول من مادة تسمى ألجينات نانوسيلولوز، والتي يتم استخراجها جزئيًا من الأعشاب البحرية, إذا كنت تملك طابعة بيولوجية ثلاثية الأبعاد فإن هذا المنتج هو الذي يعمل على نحو فعال لتلك الطابعة.

وكان تأثير السيلينك، وبخاصة بالنظر إلى سنوات المناقصة، ملحوظًا, وقد فازت الشركة بالفعل بعدد كبير من الجوائز: للابتكار وريادة الأعمال، فضلًا عن دعم من النسخة السويدية من دراعون دين, بعد عشرة أشهر من إطلاقه، ذهب غاتنهولم إلى سوق الأسهم، وأصبحت مدرجة في شمال ناسداك, وقد تم الاكتتاب في اكتتاب عام بنسبة 1.070 %، وعندما التقيت غاتنهولم في غوتنبرغ، كان لا يزال يعمل على اتفاق بشأن سيولة الشركة الجديدة, كان المكتب، بصراحة، فوضوي: حديد على الأرض وسترات معلقة، في حال أنه دعى لحضور اجتماع مع عميل, يعمل هو ومارتينيز البالغ من العمر 32 عامًا لمدة 16 ساعة, "الأريكة لطيفة للنوم يقول غاتنهولم وهو يضحك, مكتبه ليس لديه في الواقع أي مكان للجلوس, لكن غاتنهولم واضح: ويقول إنه وقت الطباعة البيولوجية. يقول: "بصفتي رائد أعمال، فإنك تبحث دائمًا عن المحيط الأزرق". "رجال الأعمال يسألون دائمًا،" أين المنطقة الجديدة التي يجب أن يصبح لي فيها اسم؟
ويقول غاتنهولم بهدوء، إن فكرة الطباعة البيولوجية تثير بعض المخاوف الأخلاقية، حيث أن المبادئ مشابهة جدًا للطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية: تبدأ باستخدام برنامج كمبيوتر لجعل تمثيل ظاهري كنت ترغب فيه ومن ثم طابعة شريحة - في بعض الأحيان تكون معدة مسبقة الإعداد - حتى تحصل على الكائن النهائي، ولكن بدلًا من المجوهرات، يمكن استخدام تماثيل صغيرة أو أجزاء للسيارات، تمكن الطباعة البيولوجية من توفير القدرة على خلق الأنسجة الحية.

وفي البداية، من الممكن أن تقوم بطباعة الجلد أو الغضاريف، وهي هياكل بسيطة نسبيًا وأكثر وضوحًا لتنمو خارج الجسم، في نهاية المطاف، ومع ذلك، فإن رواد هذه التكنولوجيا يعتقدون أنها ستكون قادرة على خلق أجهزة معقدة، مثل القلوب والكبد، من الصفر حتى النهاية،وويمكن بعد ذلك استخدامها في عمليات زرع الاعضاء البشرية،وويعمل العلماء والشركات التجارية في جميع أنحاء العالم على المشروع، وتأسست سان دييغو ومقرها أورغانوفو منذ عام 2007 وحققت بعض النجاح في طباعة أجزاء من الرئة والكلى وقلب العضلات، وفي عام 2015، أعلنت شركة مستحضرات التجميل بيهموث أوريل عن خطة لتوريد الجلد الثلاثي الأبعاد المطبوعة.

وتعتبر لوريال موارد ضخمة للطباعة البيولوجية، في سبتمبر أيلول من العام الماضي، كشفت الشركة أن علمائها كانوا يعملون أيضًا مع شركة بويتيس الفرنسية التي تتخذ من فرنسا مقرًا لها، وكان الهدف خلال هذا الوقت إنتاج بصيلات الشعر الاصطناعية، والذي، اتضح، أنه أمر معقد: حيث إن هناك أكثر من 15 نوعًا مختلفًا من الخلايا في كل بصيلة، وهناك عملية دورية لإنتاج الألياف التي تحتاج إلى تحفيز في المختبر.

وحاول الكثيرون، القيام بذلك إلا أنهم فشلوا جميعًا، ولكن لوريال وبويتيس واثقون من أنها قريبون من القيام بذلك، والمفتاح هو المطور الحيوي الذي طوره بويتيس: معظم الآلات تدفع الخلية البيولوجية من خلال فوهة؛ يستخدمهم الليزر الذي يودع الخلايا واحدًا تلو الآخر، بمعدل 10000 قطرة في الثانية، دون الإضرار بالخلايا، ويقول فابيان غيليموت، الرئيس التنفيذي وكبير الموظفين العلميين في بويتيس: "الطريقة التي يعمل بها هي في الواقع بسيطة جدًا وتشبه الطباعة النافثة للحبر"، "إنه يطبع الهياكل ثلاثية الأبعاد، والأنسجة البيولوجية، من خلال طبقات متتالية من الخلايا الصغيرة على سطح".

ويدعو بويتيس إلى ابتكار طابعة بيولوجية رباعية الأبعاد، وقال غيليموت: "البعد الرابع هو الوقت المناسب، لأن تقنية الطباعة البيولوجية بمساعدة الليزر يمكن أن تطبع الخلايا في كل مرة، فإنها تمكننا من توجيه التفاعل بين الخلايا وبيئتها حتى تنتج الوظائف البيولوجية التي نبحث عنها"،رعلى المدى القصير والمتوسط، وتأمل أوريل أن تستخدم أشعة الشمس والمصلات التي تتحدى السن بشكل أكثر فعالية لأنها تستطيع الآن اختبار المنتجات التي لا تتغير تمامًا مثل الجلد البشري، ومن الممكن أن يصبح شعرك أكثر لمعانًا بعد استخدام الشامبو، ولكن من الواضح أن تأثير هذه التكنولوجيا يمكن أن يصل إلى أبعد من مستحضرات التجميل، وإذا كان الجلد يمكن طباعته في المختبر، فمن الممكن أن نتخيل استخدام تلك التقنية في علاج الحروق الشديدة، في الوقت الحاضر، يتم عمل ترقيع الجلد، والذي يمكن أن يؤدي إلى النزيف والعدوى وعادة ما تنطوي على وقت طويل للتعافي

وتظهر التطورات في بصيلات الشعر الاصطناعية لفتح الطريق للمنتجات التجارية التي تقلل من فقدان الشعر أو حتى زرعه، ويقول خوسيه كوتوفيو، من قسم الأبحاث والابتكار في لوريال: "من الواضح أن هدفنا للمستقبل هو أن نكون قادرين على اختبار الجزيئات المبتكرة باستخدام أنظمة بصيلات تم إنشاؤها في المختبر، ولكن أيضًا لزيادة فهمنا للعمليات الرئيسية وراء ظواهر مثل شيخوخة الشعر وفقدان الشعر ونمو الشعر ".

ويؤكد غاتنهولم: "هناك فائدة إنسانية هائلة في البرمجة الحيوية "أنت تموت لأن أعضائك تموت، إذا كان يمكننا أن نبدأ باستبدالها، ربما يمكننا تمديد عمر الإنسان، فنحن بعيدون عن هذه التطورات، ولكن ليس جدًا، حيث أن إنشاء جلد مطبوع بيولوجيًا يمكن أن يستغرق خمس سنوات، وفي غضون 10 أعوام، سنبدأ رؤية بعض الخطوات الفعالة في مجال الغضروف، سواءً كانت جزئية أو كاملة، بالفعل، هناك حتمًا بعض الشواغل الأخلاقية، وتتراوح هذه من المخاوف بشأن نوعية وفعالية الجلد الاصطناعي والزرع إلى الاتهام بأن الطباعة البيولوجية أمر يسمح للبشر "بالعبث بخلق الله" ولعل التحقيق الأکثر شمولًا لھذه القضایا قد أجراه فریق في قسم الدراسات العلمیة والتکنولوجیة بجامعة إدنبرة.

وهناك عقبة أكبر بكثير تحتاج الطباعة الثلاثية الأبعاد أن تتغلب عليها قبل مسالة الاعتقاد والإيمان وهي مسألة التكلفة، فعلى الرغم من أنه من المغري أن نأمل أن القدرة على استبدال الأعضاء الاصطناعية محل الأعضاء البشرية وأنها ستحل مشكلة قوائم الانتظار التي تنتظر زراعة الاعضاء، إلا أن هذا ليس من المرجح أن يكون هو الحال، ويقول فيرميولن: "إن هذه التقنية مكلفة للغاية، إذا تحققت، لن يتمكن سوى عدد قليل من الناس من تحمل التكاليف". "هناك خطر من أن عدم المساواة الصحية الموجودة حاليًا سيكون أيضًا، ما يجعلها غير متوفرة لمعظم الناس"، وباختصار، يخلصون إلى أن المشاكل والتأخيرات التي يعاني منها المرضى في خدمات الصحة الوطنية، ونظام الرعاية الصحية في الولايات المتحدة، وأماكن أخرى "ستستمر في سياق البرمجة الحيوية".

وكانت التكلفة بالتأكيد حاجزًا باهظًا في هذه الأيام الأولى من الطباعة الحيوية الثلاثية الأبعاد، ونتيجة لذلك، عادة ما تكون الأجهزة موجودة فقط في مختبرات الجامعات، غاتنهولم تفخر بأن شركته هي التي تقلل من تكاليف تلك التقنية الجديدة في حين أن من بين عملاء سيلينك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة هارفارد وكلية لندن الجامعية، فإن الشركة تقوم أيضًا بتوفير التكنولوجيا الجديدة للهواة، ولا يعرف غاتنهولم كيف سيستخدم هؤلاء الناس آلاتهم وأحبارهم - ربما لطباعة الأنسجة لاختبار المواد المخدرة أو أخذ الخلايا من ورم سرطاني واستخدام إصدارات متعددة لتحديد أفضل طريقة لعلاج ذلك - ولكن هذا هو ما يجعل التكنولوجيا الجديدة مثير جدًر.

تحديات طباعة قلب الإنسان

لماذا نريد أن نصنع قلبًا بيولوجيًا؟

بصرف النظر عن هندستها، يعتبرالقلب واحدًا من الأجهزة الأقل تعقيدًا في الجسم، وهو لا يقوم بكيمياء حيوية معقدة مثل الكبد والكلى ، على عكس الأجهزة الأخرى مثل الدماغ، لهذا السبب، يمكن أن يكون القلب نظريًا واحدة من أسهل الأجهزة التي يتم طباعها بيولوجيا، وهناك 3500 شخص في أوروبا على قائمة الانتظار لزرع القلب، وكثير منهم بحاجة إلى قلب جديد لأكثر من عامين.
كيف يمكن طباعة القلب؟

سيتم استخدام الطابعة الثلاثية الأبعاد في طباعة هيكل يحاكي مصفوفة القلب خارج الخلية التي توفر الدعم الهيكلي للخلايا وتساعد على توجيهها إلى حيث ينبغي أن تكون، ويمكن بعد ذلك طباعة خلايا القلب في سقالة، حيث أنها ستتفاعل لتشكيل هيكل القلب، بعد أن تنضج الخلايا في الهيكل الكامل للقلب، يمكن فصل السقالة ، وترك القلب يعمل بشكل كامل جاهز للزرع، وهذه التقنية موجودة بالفعل، وإن كان ذلك على نطاق أصغر.
لماذا لا يمكننا طباعة قلب عمليًا؟

هناك مشكلة واحدة مع إنشاء الأجهزة كلها التي يجب التغلب عليها: الأوعية الدموية. وقد ثبت أن جميع الأوعية الدموية يصعب إنشاؤها باستخدام الطباعة الثلاثية، ولكن خلق الشعيرات الدموية، والتي يمكن أن تكون أصغر في قطر من أصغر خلية، كان من المستحيل تقريبًا، تصنيع نظام الأوعية الدموية سيكون مثل هذا الإنجاز الكبير تطلب من ناسا تقدم جائزة 500 ألف دولار لأول فريق بحث يمكن أن يفعل ذلك.
إلى أي مدى من الممكن طباعة أعضائنا؟

تختلف التقديرات الخاصة بالتاريخ الذي يكون فيه الترشيح الحيوي لجسم قابلًا للحياة تباينًا شديدًا، حيث يدعي فريق واحد أنه سيصبح قادرًا على إحداث قلب بيولوجي في غضون ست سنوات، ولا أحد يعرف على وجه اليقين عندما سيتم اعتماد هذه التقنيات بأنها آمنة للاستخدام لزرع قلب بشري، ومع ذلك، فإن العدد الهائل من علماء البحوث العاملين في مجال الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد، إلى جانب التطورات في الصناعة يتوقع أن تبلغ قيمتها أكثر من 1.3 مليار دولار بحلول عام 2021.