Druk 3D i medycyna

Dodano: 8 lipiec 2018

Technologia druku trójwymiarowego pomaga medycynie rozwijać się o wiele szybciej niż dotychczas, jednak niektóre z obszarów jej działalności mogą wywoływać kontrowersje.

Być może już w niedalekiej przyszłości po wizycie u lekarza otrzymasz receptę, jak wydrukować sobie dobraną indywidualnie do Twoich potrzeb tabletkę, a w szpitalnym automacie dostępne będą ortezy lub plastry idealnie dopasowane na podstawie pobranych od Ciebie wymiarów. Druk 3D otwiera przed medycyną zupełnie nowe możliwości.

Początki druku trójwymiarowego

Technologia została opatentowana w 1984 r. Jej autor Charles Hull opracował nowatorski sposób zapisywania plików i drukowania ich przy pomocy wytycznych opisujących kształt, rozmiar i kolor modelu. Nowa technologia została nazwana stereolitografią1. Już w 1988 r. firma stworzona przez Hulla wypuściła na rynek pierwszy "aparat stereolitograficzny" umożliwiający druk w technologii trójwymiarowej2. Obecnie druk 3D poprzez różne dostępne metody pozwala przygotować niemal wszystko - i to nawet w domowym zaciszu.

Bibliografia

  1. RCS Bulletin Volume: 96 Issue: 7, July 2014, pp. 228-229. https://doi.org/10.1308/14736351 4X13990346756481
  2. Maulvi FA, Shah MJ, Solanki BS, Patel AS, Soni TG, et al. (2017) Application of 3D Printing Technology in the Development of Novel Drug Delivery Systems. Int J Drug Dev & Res 9:44-49.

Wykorzystuje się w nim maszyny podobne w działaniu do tradycyjnych drukarek biurowych. Po zaprojektowaniu trójwymiarowego obiektu w komputerze maszyna przystępuje do tworzenia jego modelu, wykorzystując jako tusz plastik, metal, glinę, różnego rodzaju proszki (w tym mieloną kukurydzę), płyny, a nawet żywe komórki. Dzięki tak wielkiej różnorodności używanych materiałów oraz dużym możliwościom realizacji technologia druku trójwymiarowego już dawno przestała być narzędziem wykorzystywanym jedynie w mechanice i robotyce. Obecnie każdy, kto zakupi taką drukarkę, może stworzyć dzięki niej niemal wszystko: od długopisu po części samochodowe. Jedynym ograniczeniem jest tu wielkość urządzenia.

Nic więc dziwnego, że zalety druku 3D dostrzegł świat medyczny i sięgnął po nie, by projektować to, czego najbardziej mu brak: lekkie protezy, skuteczne leki, a wreszcie żywą tkankę i narządy zastępcze.

Jako pierwsi wykorzystaniem druku trójwymiarowego zainteresowali się eksperci z Harvardu. Własnoręcznie projektując organy w najdrobniejszym nawet szczególe, stworzyli z włókien kolagenowych, polimerów i komórek pobranych od pacjentów pęcherze moczowe do transplantacji. 7 lat po przeszczepach wszyscy uczestnicy eksperymentalnej terapii nadal czuli się dobrze. To sprawiło, że w 2004 r. należący do zespołu dr Anthony Atala po objęciu kierownictwa w nowo powstałym Wake Forest Institute for Regenerative Medicine rozpoczął prace nad automatyzacją procesu tworzenia nowych narządów. Wkrótce jego zespół był w stanie zaprojektować i wydrukować nie tylko pęcherz moczowy, ale też inne organy1.

W ten sposób położono podwaliny pod tzw. bioprinting 3D, czyli technologię pozwalającą drukować organy przy pomocy żywych komórek jako "tuszu". Wyprodukowane dzięki niej narządy zbudowane są jak prawdziwe i tak też się zachowują. W przyszłości, kiedy technologia zostanie już dopracowana, pozwoli to rozwiązać problem braku dawców i skróci czas oczekiwania na przeszczep.

Druk 3D staje się coraz poręczniejszym narzędziem w terapii wielu chorób, korygowaniu niepełnosprawności oraz zwiększaniu szans na skuteczne przeprowadzenie skomplikowanej operacji. O tym, jak istotny się stał, niech świadczy fakt, że powstało czasopismo branżowe 3D Printing in Medicine (Druk 3D w medycynie), a amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) powołała grupę ds. nowych technologii, w tym druku 3D, pod nazwą Emerging Technology Team.

Protezy i egzoszkielety 3D

Najczęstszym zastosowaniem tej technologii w medycynie są protezy kończyn i specjalne zewnętrzne szkielety dla sparaliżowanych pacjentów (egzoszkielety). Mimo że tradycyjne sztuczne ręce i nogi wykonane z odlewów wciąż stanowią większość sprzedawanych protez, łatwość wykonania tych drukowanych trójwymiarowo czyni z nich silną konkurencję - tym bardziej, że koszty wytworzenia takiego przedmiotu są zdecydowanie niższe: różnica w cenie może być nawet stukrotna! Tak jest w przypadku produktów skierowanych do najmłodszych i oferowanych przez Open Bionics, które z wyglądu przypominają np. rękawicę Iron Mana, lub też protez produkowanych przez e-Nable (projekt non-profit zrzeszający wolontariuszy na całym świecie).

o nie wszystko. W połowie 2017 r. powstał nowy egzoszkielet przygotowany przez zespół naukowców z Tunezji. To skafander na dłoń przeznaczony dla pacjentów po udarze. Ma on wspomagać rehabilitację. Wydrukowany w 3D egzoszkielet reaguje na bodźce układu nerwowego i ułatwia zginanie oraz prostowanie palców, znacząco przyczyniając się do poprawy motoryki dłoni2.

Nowa skóra 3D

W kwietniu bieżącego roku zespół kanadyjskich badaczy poinformował o stworzeniu poręcznej medycznej drukarki 3D. Ma ona znaleźć zastosowanie w leczeniu pacjentów po silnych oparzeniach, którzy w innych okolicznościach wymagaliby przeszczepu skóry. Eksperci zaprezentowali, jak przy pomocy ważącego ok. 1 kg urządzenia nanieść specjalny "tusz" z białek, zawierający m.in. kolagen oraz fibrynę, bezpośrednio na uszkodzony obszar skóry pacjenta. Technologia zdecydowanie skraca czas oczekiwania chorego na zabieg - nie ma potrzeby hodowania nowych płatów skóry w laboratorium, a ponieważ tkanka powstaje ze specjalnego "tuszu", pacjent uniknie blizn po pobraniu materiału z innej części ciała3.

Serce 3D

Tabletki 3D

Padaczka to choroba, która u każdego przebiega inaczej. Kiedy jedni doświadczają tylko 2-3 ataków w ciągu miesiąca, inni muszą przeżywać je nawet kilka razy dziennie. Nasuwa się zatem pytanie, czy możliwe jest skuteczne leczenie wszystkich tą samą tabletką?

Zarówno lekarze, jak i producenci leków są przekonani, że nie. Dowodem na to jest zaaprobowana przez FDA nowa postać lewetyracetamu4: wytworzona metodą druku 3D, łatwo rozpuszczalna i całkowicie wchłanialna przez organizm tabletka5. Istnieje możliwość dobrania dawki substancji aktywnej do potrzeb konkretnej osoby. Ponadto w przypadku dziecięcych pacjentów możliwe jest dodanie aromatów ułatwiających jej przyjmowanie6.

Drukowanie tabletek dla konkretnej osoby przypomina przygotowanie maści zgodnie z zaleceniami lekarza. Z taką praktyką wiąże się wiele korzyści. Po pierwsze, dawka substancji czynnej i skład wypełniaczy dobrane indywidualnie zwiększają szansę na skuteczną terapię. Udowodniono, że 10 farmaceutycznych bestsellerów w Stanach Zjednoczonych jest przyswajalnych przez pacjentów zaledwie w 4-25%7. Oznacza to, że w przypadku niektórych leków substancja czynna wchłania się tak słabo, że chorzy mogliby równie dobrze przyjmować cukrową pastylkę, a poprawę ich samopoczucia można by uzasadnić efektem placebo.

Po drugie, taka technologia wytwarzania to możliwość szybkiej reakcji w razie wystąpienia działań niepożądanych - jeśli np. okaże się, że ktoś jest uczulony na którąkolwiek z substancji pomocniczych, lekarz po prostu zamieni ją na inną, a gdyby tabletki zostały w jakikolwiek sposób zanieczyszczone, nie będzie konieczne wycofywanie z rynku całej serii produktu.

Taka sama jakość za niższą cenę

Co prawda trudno nazwać drukarki 3D tanimi urządzeniami (te domowe kosztują kilkanaście, kilkadziesiąt tysięcy złotych, a wykorzystywane w przemyśle i medycynie są o wiele droższe), jednak przy ich pomocy można stworzyć o wiele tańsze zamienniki dostępnych na rynku narzędzi. Tym bardziej, że ich jakość nie odbiega od "oryginalnych" przedmiotów, co potwierdziło opublikowane niedawno badanie przeprowadzone przez połączony zespół ekspertów z Kanady, Wielkiej Brytanii i Izraela.

Porównali oni markowy oraz stworzony z wydrukowanych w technologii 3D elementów stetoskop. Narzędzia przystawiano przez 15 s do powierzchni napełnionego wodą balona, przez który przepuszczano fale dźwiękowe z zakresu tzw. "białego szumu", imitując chorobę płuc. Nie zaobserwowano różnicy w jakości odsłuchu. Stetoskop, którego wydrukowanie kosztowało niecałe 3 dolary, okazał się równie poręcznym narzędziem, co dostępny na rynku, wyprodukowany według międzynarodowych standardów sprzęt markowy.

Jeśli więc kraje rozwijające się podejmą decyzję o zakupie drukarek 3D i materiałów do druku, będą mogły poprawić jakość świadczonych usług medycznych bez ponoszenia zbędnych kosztów.

Po trzecie, jeśli pacjent leczy się dodatkowo na inne schorzenia, istnieje możliwość stworzenia kompleksowego produktu zawierającego kilka substancji czynnych: dzięki temu zmniejsza się liczba przyjmowanych tabletek.

Po czwarte, wydrukowanie kilku tabletek dla konkretnej osoby jest szybsze i relatywnie tańsze niż przygotowanie całej serii medykamentu8.

Druk 3D: organy sztuczne i prawdziwe

Na początku tego roku zespół studentów z Uniwersytetu Rice przedstawił projekt rozrusznika serca będącego tak naprawdę grupą chipów umieszczoną w różnych obszarach tego mięśnia, których zadaniem jest na bieżąco monitorować sytuację i reagować na nią. Aby przedstawić swoją koncepcję, studenci wydrukowali sztuczne serce. Ich projekt odniósł sukces na targach Engineering Design Showcase i zagwarantował zespołowi zwycięstwo9.

Drukowanie sztucznych organów znajduje zastosowanie również w przygotowaniach do operacji chirurgicznych. Zanim specjaliści położą pacjenta na stole operacyjnym, skanują jego ciało i przygotowują trójwymiarowy model narządu, który będzie podlegał zabiegowi. Jest to rozwiązanie szczególnie przydatne w przypadku osób z wadami serca oraz bliźniąt syjamskich zrośniętych głowami. Wcześniejsze zapoznanie się z wyjątkową budową operowanego miejsca to przeprowadzenie zabiegu w sposób jak najmniej inwazyjny - w bardzo skomplikowanych przypadkach po prostu zwiększa szanse przeżycia pacjenta.

Skoro zatem można wydrukować modele organów, dlaczego nie spróbować stworzyć ich z żywej tkanki? Także na tym polu eksperci odnoszą już sukcesy - w kwietniu tego roku japońskiemu zespołowi pod kierunkiem Koichi Nakayamy i Tomoaki Taguchiego udało się stworzyć ludzką przeponę i z powodzeniem wszczepić ją szczurom. Poddane zabiegowi gryzonie żyły jeszcze co najmniej 710 dni, co u ludzi jest odpowiednikiem kilkudziesięciu lat. Drukowana przepona znajdzie zastosowanie w leczeniu wrodzonych wad oraz w terapii pacjentów, u których w wyniku urazu mechanicznego doszło do uszkodzeń w obrębie jamy brzusznej. W odróżnieniu od stosowanych dotychczas metod wydrukowana tkanka zrośnie się z ciałem pacjenta i z czasem będzie rosnąć jak jego własna - ryzyko zerwania przeszczepu lub uszkodzenia organów spadnie niemal do zera10. Kilka miesięcy wcześniej ten sam zespół wszczepił szczurom wątrobę wydrukowaną przy pomocy ludzkiej tkanki11.

Człowiek 3D?

Czy to oznacza, że już niedługo naukowcy będą mogli stworzyć w laboratorium dowolny organ człowieka? Niekoniecznie. Ludzki organizm jest skomplikowanym tworem. Większość narządów składa się z wielu rodzajów tkanek różniących się między sobą budową i funkcją, jak chociażby naczyń krwionośnych i tkanki nerwowej. Ich tworzenie musi przebiegać zatem z niezwykłą precyzją, co sprawia, że obecnie bioprinting 3D nie jest stosowany na masową skalę. Ponadto nie wszystkie wydrukowane organy mogą spełniać swoją rolę. Mózg wykonany w technologii 3D nie będzie miał świadomości i nie będzie decydował o przebiegu różnych niezbędnych do życia procesów - to jedynie zlepek komórek nerwowych i glejowych, reagujący na bodźce elektryczne i chemiczne. Może odegrać kluczową rolę w poszukiwaniu lekarstwa na chorobę neurodegeneracyjną, ale nie uratuje życia pacjentowi z encefalopatią.

Mimo to transplantacja wydrukowanych organów na szerszą skalę to tylko kwestia czasu. A kiedy już do niej dojdzie, może też zwiększyć się odsetek zachorowań na potworniaka - nowotwór rozwijający się z komórek macierzystych, które są wykorzystywane do tworzenia nowych organów. Zdarza się, że ścieżka ich różnicowania nie przebiega zgodnie z wytycznymi kodu genetycznego (i zamierzeniami medyków), prowadząc np. do wyrośnięcia zębów w jajnikach lub włosów w mózgu.

Rozwojowi medycyny 3D towarzyszy też problem etyczny: bioprinting płodu. Od tworzenia ludzkiej tkanki oraz modeli organów jest już tylko mały krok do drukowania embrionów (by np. opracować metodę leczenia wady genetycznej) albo zarodków do pobrania komórek macierzystych potrzebnych do dalszych badań. Otwiera to furtkę do nadużyć stosowanej obecnie klauzuli 14 dni. Według niej jeśli w wyniku podziału zygoty (zapłodnionej komórki jajowej) powstaje embrion, to można utrzymywać go przy życiu i przeprowadzać na nim testy przez 2 tygodnie od momentu inseminacji. Wtedy zaczyna się tworzyć prosty układ nerwowy i zarodek może odczuwać ból12.

W przypadku embrionu z drukarki nie ma momentu poczęcia, zatem trudno zastosować powyższe prawo. Poza tym nietrudno wyobrazić sobie powstanie szarej strefy bioprintingu, w której skuszeni niższą ceną przeszczepu pacjenci mogliby się nabawić groźnej choroby, za którą odpowiadałby brak higieny "drukarza" lub też przewlekłe albo śmiertelne schorzenie dawcy.

A zatem, czy powinniśmy bać się bioprintingu? Jeszcze 100 lat temu uznawano transplantologię za dzieło szatana, dzisiaj takie zabiegi przeprowadza się niemal rutynowo i nikt już nie poddaje w wątpliwość ich słuszności. Być może taki sam los czeka druk 3D.

Julia Ogorzałek

 

Bibliografia

  1. RCS Bulletin Volume: 96 Issue: 7, July 2014, pp. 228-229. https://doi.org/10.1308/147363514X13990346756481
  2. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems 10(2):341-366 · June 2017. DOI: 10.21307/ijssis-2017-215
  3. Handheld skin printer: in situ formation of planar biomaterials and tissues, Lab on a Chip. DOI: 10.1039/c7lc01236e
  4. JAMA. 2018;319(3):220. doi:10.1001/jama.2017.20643
  5. A new chapter in pharmaceutical manufacturing: 3D-printed drug products, DOI: 10.1016/j.addr.2016.03.001
  6. International Journal of Pharmaceutics, Volume 530, Issues 1–2, 15 September 2017, Pages 71-78. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2017.07.064
  7. Oncotarget. 2016; 7:2155-2158. https://doi.org/10.18632/oncotarget.6787
  8. Maulvi FA, Shah MJ, Solanki BS, Patel AS, Soni TG, et al. (2017) Application of 3D Printing Technology in the Development of Novel Drug Delivery Systems. Int J Drug Dev & Res 9:44-49.
  9. http://oedk.rice.edu/Sys/PublicProfile/41506795/1063096
  10. Biomaterials, Volume 167, June 2018, Pages 1-14, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.03.012
  11. Sci Rep. 2017; 7: 14085. doi: 10.1038/s41598-017-14542-2
  12. https://doi.org/10.1186/s12910-017-0198-5

Zobacz też:

Zobacz także

Naukowcy odkryli nowy kształt komórki

Naukowcy odkryli nowy kształt komórki

Skutoid - tak nazywa się nowoodkryta bryła, w której kształt mogą mieć pewne komórki ludzkiego organizmu.

Ojcowie przekazują dzieciom nie tylko geny

Ojcowie przekazują dzieciom nie tylko geny

Zgodnie z 2 badaniami, sperma zmienia swój "bagaż" podczas podróży przez najądrza, co może mieć wpływ na potomstwo.

Glifosat zniknie z rynku?

Glifosat zniknie z rynku?

W zeszłym roku organizacja pozarządowa postanowiła nagłośnić problem szkodliwości gllifosatu. Teraz rząd Czech planuje ograniczenie jego stosowania.

Rak prostaty: zbadaj się, zanim będzie za późno

Rak prostaty: zbadaj się, zanim będzie za późno

Wcześnie wykryty daje bardzo duże szanse na wyleczenie. Dlaczego więc nawet 50% pacjentów umiera?

Skopolamina: lek, trucizna, narkotyk

Skopolamina: lek, trucizna, narkotyk

Skopolamina stosowana przez położników ma też drugie, znacznie ciemniejsze oblicze, a jej pełna mrocznych zdarzeń historia sięga aż królowej Kleopatry. Alkaloid zapobiegający chorobie lokomocyjnej może pozbawić Cię woli - wystarczą zaledwie 3 wdechy.

E-papierosy wpływają na pracę serca

E-papierosy wpływają na pracę serca

Liquidy zawierające nikotynę są równie szkodliwe dla układu krążenia, co tradycyjne papierosy.

Raport specjalny

Schudnij na lato!

Schudnij na lato!

Wydanie tabletowe

Tablet O Czym Lekarze Ci Nie Powiedzą App Store