There are currently hundreds of thousands of people on transplant lists, waiting for critical organs like kidneys, hearts, and livers that could save their lives. Unfortunately, there aren’t nearly enough donor organs available to fill that demand.
Hiện nay có hàng trăm nghìn người trong danh sách cấy ghép nội tạng đang chờ nhận được các nội tạng quan trọng như thận, tim và gan, để tiếp tục sự sống. Không may thay, số nội tạng hiến tặng hiện tại là không đủ để đáp ứng nhu cầu đó.
What if instead of waiting, we could create brand-new, customized organs from scratch? That’s the idea behind bioprinting, a branch of regenerative medicine currently under development. We’re not able to print complex organs just yet, but simpler tissues including blood vessels and tubes responsible for nutrient and waste exchange are already in our grasp.
Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì chờ đợi, chúng ta có thể tạo ra các cơ quan hoàn toàn mới, tùy chỉnh ngay từ đầu? Đây là ý tưởng nền tảng cho in sinh học, một nhánh của y học tái tạo đang được phát triển. Chúng ta chưa thể in các cơ quan phức tạp, nhưng các mô đơn giản hơn bao gồm các mạch máu và ống chịu trách nhiệm trao đổi chất dinh dưỡng và chất thải thì đã thực hiện được.
Bioprinting is a biological cousin of 3-D printing, a technique that deposits layers of material on top of each other to construct a three-dimensional object one slice at a time. Instead of starting with metal, plastic, or ceramic, a 3-D printer for organs and tissues uses bioink: a printable material that contains living cells.
In sinh học là họ hàng của in 3-D, một kỹ thuật in chồng các lớp vật liệu sinh học lên nhau, mỗi lần một lớp, để tạo ra vật thể ba chiều. Thay vì bắt đầu với kim loại, nhựa hoặc gốm, một máy in 3-D các cơ quan nội tạng và mô sử dụng mực sinh học: một vật liệu in có chứa những tế bào sống.
The bulk of many bioinks are water-rich molecules called hydrogels. Mixed into those are millions of living cells as well as various chemicals that encourage cells to communicate and grow. Some bioinks include a single type of cell, while others combine several different kinds to produce more complex structures.
Phần lớn mực in sinh học là những phân tử giàu nước gọi là hydrogels. Lẫn vào đó là hàng triệu tế bào sống cũng như các hóa chất khác nhau hỗ trợ tế bào kết hợp và phát triển. Một số mực in sinh học chỉ chứa một loại tế bào, một số khác kết hợp nhiều tế bào khác nhau, tạo ra cấu trúc phức tạp hơn.
Let’s say you want to print a meniscus, which is a piece of cartilage in the knee that keeps the shinbone and thighbone from grinding against each other. It’s made up of cells called chondrocytes, and you’ll need a healthy supply of them for your bioink. These cells can come from donors whose cell lines are replicated in a lab. Or they might originate from a patient’s own tissue to create a personalized meniscus less likely to be rejected by their body. There are several printing techniques, and the most popular is extrusion-based bioprinting. In this, bioink gets loaded into a printing chamber and pushed through a round nozzle attached to a printhead. It emerges from a nozzle that’s rarely wider than 400 microns in diameter, and can produce a continuous filament roughly the thickness of a human fingernail.
Ví dụ, bạn muốn in một mảnh sụn ở đầu gối sụn này giữ cho xương ống chân và xương đùi không mài vào nhau. Sụn được tạo thành từ các tế bào gọi là chondrocytes, và bạn sẽ cần một nguồn cung lớn các tế bào này cho mực in của mình. Chúng đến từ người hiến tặng đã cho phép tái tạo dòng tế bào ở phòng thí nghiệm. Hoặc có thể lấy từ chính mô của các bệnh nhân để tạo ra một mô sụn cá thể hóa, giảm thiểu khả năng bị cơ thể đào thải. Có nhiều kỹ thuật in, và phổ biến nhất là in phun sinh học. Theo đó, mực in được nạp vào buồng in và được đẩy qua một vòi tròn gắn vào đầu in. Mực được phun từ vòi phun thường có đường kính nhỏ hơn 400 micron và có thể tạo ra một sợi tơ có độ dày gần bằng móng tay con người.
A computerized image or file guides the placement of the strands, either onto a flat surface or into a liquid bath that’ll help hold the structure in place until it stabilizes. These printers are fast, producing the meniscus in about half an hour, one thin strand at a time.
Một hình ảnh hoặc tập tin trên máy tính sẽ hướng dẫn vị trí của các sợi, trên bề mặt phẳng hoặc vào một bể chất lỏng nơi giúp cố định cấu trúc in cho đến khi chúng ổn định. Những máy in hoạt động rất nhanh, tạo ra mô sụn trong khoảng nửa giờ đồng hồ, mỗi lần một sợi mảnh.
After printing, some bioinks will stiffen immediately; others need UV light or an additional chemical or physical process to stabilize the structure. If the printing process is successful, the cells in the synthetic tissue will begin to behave the same way cells do in real tissue: signaling to each other, exchanging nutrients, and multiplying.
Sau khi in, một số mực in sinh học sẽ đông lại ngay lập tức; số khác cần tia UV, hợp chất hóa học hoặc tác động vật lý để ổn định cấu trúc. Nếu quá trình in thành công, các tế bào trong mô tổng hợp sẽ bắt đầu hoạt động giống như các tế bào trong mô thực: truyền tín hiệu cho nhau, trao đổi chất dinh dưỡng và nhân đôi.
We can already print relatively simple structures like this meniscus. Bioprinted bladders have also been successfully implanted, and printed tissue has promoted facial nerve regeneration in rats. Researchers have created lung tissue, skin, and cartilage, as well as miniature, semi-functional versions of kidneys, livers, and hearts. However, replicating the complex biochemical environment of a major organ is a steep challenge. Extrusion-based bioprinting may destroy a significant percentage of cells in the ink if the nozzle is too small, or if the printing pressure is too high. One of the most formidable challenges is how to supply oxygen and nutrients to all the cells in a full-size organ. That’s why the greatest successes so far have been with structures that are flat or hollow— and why researchers are busy developing ways to incorporate blood vessels into bioprinted tissue.
Chúng ta đã có thể in những cấu trúc đơn giản như mô sụn này. Bóng đái từ in sinh học cũng đã được cấy ghép thành công và những mô in đã thúc đẩy quá trình tái tạo thần kinh mặt ở chuột. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra mô phổi, da và sụn, cũng như các phiên bản thu nhỏ, bán chức năng của thận, gan và tim. Tuy nhiên, tái tạo môi trường sinh hóa phức tạp của một cơ quan chính là một thách thức lớn. In phun sinh học có thể phá hủy một tỷ lệ đáng kể các tế bào trong mực nếu đầu phun quá nhỏ hoặc nếu áp suất in quá cao. Một trong những thách thức lớn nhất là làm sao cung cấp oxy và dinh dưỡng cho tế bào ở cơ quan kích cỡ bình thường. Đó là lý do tại sao thành công lớn nhất từ trước đến nay là với các cấu trúc phẳng hoặc rỗng, và tại sao các nhà nghiên cứu bận rộn phát triển các cách để kết hợp các mạch máu vào mô in.
There’s tremendous potential to use bioprinting to save lives and advance our understanding of how our organs function in the first place. And the technology opens up a dizzying array of possibilities, such as printing tissues with embedded electronics. Could we one day engineer organs that exceed current human capability, or give ourselves features like unburnable skin? How long might we extend human life by printing and replacing our organs? And exactly who—and what— will have access to this technology and its incredible output?
Kỹ thuật in sinh học có tiềm năng lớn cứu sống và nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách thức các cơ quan hoạt động. Và công nghệ mở ra một loạt những khả năng phi thường, như in các mô với thiết bị điện tử nhúng. Liệu sắp tới ta có thể tạo ra các cơ quan vượt quá khả năng hiện tại của con người hoặc tự thêm cho mình những đặc điểm sinh học như da không bỏng? Bao lâu nữa ta mới có thể kéo dài sự sống bằng in sinh học và thay thế nội tạng? Và chính xác là ai - và điều gì - sẽ tiếp cận được công nghệ này và những thành tựu đáng kinh ngạc của nó?