Եռաչափ բիոտպագրություն

Եռաչափ (3D) բիոտպագրություն (կենսատպագրություն, բիոպրինտինգ), 3D տպագրության կամ նմանատիպ տեխնոլոգիաների կիրառումն է կենսաբժշկական գիտությունների մեջ՝ բնական հյուսվածքների հատկություններն առավելագույնս նմանակող հատուկ կառուցվածքների ստացման նպատակով։ 3D բիոտպագրության մեջ կիրառվում են բջիջների, աճի գործոնների և կենսանյութերի (բիոմատերիալների) համադրություններ, որոնք բոլորը միասին (3D բիոտպագրության համատեքստում) ընդունված է անվանել բիոթանաքներ։ Սովորաբար 3D բիոպագրությունն այդ բիոթանաքներով իրականացվում է շերտ առ շերտ կերպով, ինչի արդյունքում ստեղծվում են հյուսվածքանման կառուցվածքներ, որոնք այնուհետև կիրառվում են բժշկության և հյուսվածքային ինժեներիայի ոլորտներում։ Բիոտպագրության մեջ կիրառվում են բազմազան կենսանյութեր։

Ներկայումս բիոտպագրությամբ հնարավոր է ստանալ հյուսվածքներ և օրգանանման կառուցվածքներ, որոնք կարող են օգտագործվել դեղերի և տարբեր քիմիական նյութերի փորձարկումների և մշակման ոլորտներում։ Սակայն, որպես նորարարական և հեռանկարային տեխնոլոգիա, արժե նշել բջիջների և/կամ արտաբջջային նյութի բիոտպագրությունը հատուկ գելի տեսքով, որից հետագայում կարելի է ստանալ անհրաժեշտ հյուսվածքը կամ օրգանը։ Այսպիսի կառուցվածքները պոտենցիալ կարող են օգտագործվել, օրինակ, հոդերի կամ կապանների վերականգնման մեջ։

Գործընթաց

3D բիոտպագրության գործընթացը սովորաբար ներառում է 3 փուլ՝ նախա-բիոտպագրություն (պրե-բիոպրինտինգ), բիոտպագրություն (բիոպրինտինգ) և հետ-բիոտպագրություն (պոստ-բիոպրինտինգ)։

Նախա-բիոտպագրություն 
Նախա-բիոտպագրության մեջ ներառվում է տպագրվելիք եռաչափ վիրտուալ մոդելի ստեղծումը և տպագրության մեջ կիրառվելիք նյութերի ընտրությունը։

Նախ՝ պետք է ուսումնասիրել տվյալ օրգանը, որի վերականգնման համար դիտարկվում է 3D բիոտպագրությունը։ Ընդունված մեթոդներից են՝ համակարգչային շերտագրությունը (ՀՇ) և մագնիսառեզոնանսային շերտագրությունը (ՄՌՇ)։ Շերտ առ շերտ տպագրելու նպատակով՝ կատարվում է ստացված պատկերների տոմոգրաֆիկ ռեկոնստրուկցիա, և ապա այս տեղեկություններն ուղարկվում են եռաչափ բիոպրինտերին (բիոտպիչ)։

Հաջորդ քայլերն են՝ անհրաժեշտ բջիջների անջատումը (կարող է իրականացվել բիոպսիայի միջոցով) և լաբորատոր պայմաններում կուլտիվացիայի միջոցով բջիջների քանակի ավելացումը։ Ապա այս բջիջները խառնվում են հատուկ հեղուկացված նյութի հետ, որը բջիջներին ապահովում է գոյատևման համար անհրաժեշտ թթվածնի և սննդանյութերի փոխանակությունը։ Որոշ դեպքերում բջիջներն ընդգրկվում են մոտ 500մկմ տրամագծով բջջային սֆերոիդներում, և այս դեպքում անհրաժեշտ են լինում հատուկ մոտեցումներ։

Բիոտպագրություն 
Երկրորդ փուլում բջիջների, կենսանյութերի (որոնք ծառայելու են բջիջների համար որպես հենարան՝ սքաֆոլդ) և սննդանյութերի/աճի գործոնների խառնուրդները՝ բիոթանաքները, տեղադրվում են 3D-տպիչի քարթրիջում և իրականացվում է տպագրությունը՝ նախապես ստեղծված վիրտուալ եռաչափ մոդելի հիման վրա (վերջինս ստանալու համար հաճախ հիմք են ծառայում ՀՇ/ՄՌՇ պատկերները կամ մասնագետների կողմից ստեղծված եռաչափ մոդելները)։ Երբ բիոտպագրված կառուցվածքը (այսպես կոչված՝ նախա-հյուսվածք) տեղափոխվում է ինկուբատոր, այն սկսում է հասունանալ՝ վերածվելով հյուսվածքի։

Կենսաբանական կառուցվածքների 3D տպագրության ընթացքում, որպես օրենք, բջիջները տեղաբաշխվում են կենսահամատեղելի սքաֆոլդի մեջ (3D տպագրության մեջ սրանք, որպես օրենք, հիդրոգելեր են), և ապա դրանցից շերտ առ շերտ ստեղծվում են հյուսվածքանման եռաչափ կառուցվածքները։ Այդ կառուցվածքները սկզբում կարող են լինել գելի տեսքով։ Տպագրված գելանման կառուցվածքի մեխանիկական հատկությունները, ինչպես նաև էլաստիկության և մածուցիկության պարամետրերը բարելավելու նպատակով այն հնարավոր է ենթարկել ֆիզիկական և/կամ քիմիական հատուկ ներգործության, որը կոչվում է քրոսլինքինգ կամ գելացում։

3D բիոտպագրության մեթոդներով արտադրված օրգանների մեծ մասի ստացման տեխնոլոգիաները դեռևս գտնվում են իրենց զարգացման վաղ փուլերում։ Այս մեթոդներով ստացված արհեստական օրգաններում (օր.՝ լյարդ, երիկամ), դեռևս չի հաջողվում ստեղծել օրգանների որոշ կարևորագույն բաղադրիչներ՝ աշխատող արյունատար անոթներ, հավաքող խողովակներ, ինչպես նաև հնարավոր չի լինում ապահովել բջիջների միլիարդավոր քանակները, որոնք անհրաժեշտ էն օրգանի պատշաճ աշխատանքի համար։ Առանց նշված բաղադրիչների՝ հնարավոր չի լինում ապահովել օրգանների ներսում անհրաժեշտ սննդանյութերի և թթվածնի քանակները, ինչպես նաև օրգանի լիարժեք ֆունկցիան։

Հաշվի առնելով, որ օրգանիզմում ցանկացած հյուսվածք կազմված է բջիջների տարբեր տեսակներից, բիոտպագրման տարբեր մեթոդներ միմյանցից տարբերվում են ըստ տպագրման ընթացքում բջիջների կայունությունն ու կենսունակությունն ապահովելու ունակության։ 3D բիոտպագրության մեջ կիրառվող մեթոդներից են ֆոտոլիթոգրաֆիան, մագնիսական բիոտպագրությունը, ստերեոլիթոգրաֆիան և բջիջների ուղղակի արտամղումը։

Հետ-բիոտպագրություն 
Հետ-բիոտպագրության գործընթացն անհրաժեշտ է կենսաբանական նյութից կայուն կառուցվածք ստանալու նպատակով։ Եթե այս գործընթացը պատշաճ կերպով չի ապահովվում, ապա եռաչափ տպագրված օբյեկտի մեխանիկական ամբողջականությունը և ֆունկցիան ռիսկի տակ են դրվում։ Օբյեկտը պահպանելու համար անհրաժեշտ են մեխանիկական և քիմիական խթաններ։ Այս խթաններն ազդակ են տալիս բջիջներին, ինչի միջոցով կարգավորվում են հյուսվածքների աճի և վերակառուցման (ռեմոդելինգ) գործընթացները։ Բացի այդ, վերջերս սկսել են կիրառվել հատուկ սարքեր՝ բիոռեակտորներ (կենսառեակտորներ), որոնք նպաստում են այդ հյուսվածքների արագ հասունացմանը, անոթավորմանը և թույլ տալիս տպագրված հյուսվածքներին փոխպատվաստման դեպքում պահպանել իրենց կառուցվածքն ու ֆունկցիաները։

Բիոռեակտորներն աշխատում են նշված սկզբունքներից մեկով կամ մի քանիսով. սննդանյութերի փոխադրման ապահովում, միկրոգրավիտացիոն պայմանների ստեղծում, ճնշումը փոփոխելու եղանակով հյուսվածքի միջով տարբեր լուծույթների հոսքի ապահովում, դինամիկ կամ ստատիկ ծանրաբեռնման համար կոմպրեսիայի ապահովում և այլն։ Բիոռեակտորների ցանկացած տեսակ համապատասխանում է որևէ կոնկրետ հյուսվածքի տեսակի, օրինակ՝ կոմպրեսիոն բիոռեակտորները կատարյալ են աճառային հյուսվածքի համար։

Բիոտպագրության մեթոդաբանություն 
Այս ոլորտի մասնագետները մշակել են տարբեր մեթոդներ, որոնք հարմարեցված են համապատասխան կենսաբանական և մեխանիկական հատկանիշներով օժտված կենդանի օրգանների կամ հյուսվածքների ստացման նպատակներին։ 3D բիոտպագրության 3 հիմնական մոտեցումները հետևյալն են՝ կենսանմանակում, ավտոնոմ ինքնահավաքում և մանր հյուսվածքային կառուցման բլոկեր։

Կենսանմանակում
Բիոտպագրության առաջին մոտեցումը կոչվում է կենսանմանակում (բիոմիմիկրիա)։ Այս մոտեցման հիմնական նպատակն է՝ ստեղծել այնպիսի կառուցվածքներ, որոնք նույնական կլինեն մարդու օրգանիզմում հանդիպող հյուսվածքների և օրգանների բնական կառուցվածքին։ Կենսանմանակման դեպքում պահանջվում է կրկնել օրգանների կամ հյուսվածքների ձևը, ներքին կառուցվածքը և միկրոմիջավայրը։ Բիոպրինտինգի մեջ կենսանմանակման կիրառման դեպքում պետք է նույնական կերպով ստեղծել օրգանների թե՛ բջջային, և թե՛ արտաբջջային մասերը։ Որպեսզի այս մեթոդը հաջողված լինի, պետք է հյուսվածքները կրկնօրինակվեն միկրոսկոպիկ մակարդակով։ Հետևաբար՝ անհրաժեշտ է ուսումնասիրել և հասկանալ տվյալ օրգանի կամ հյուսվածքի միկրոկառուցվածքը, միկրոմիջավայրում առկա կենսաբանական գործոնների բնույթը, հյուսվածքում բոլոր տեսակի բջիջների հստակ փոխդասավորությունը, ինչպես նաև արտաբջջային մատրիքսի կառուցվածքն ու կազմությունը։

Ավտոնոմ ինքնահավաքում
Բիոտպագրության երկրորդ մոտեցումն ավտոնոմ ինքնահավաքումն է։ Այս մեթոդը հիմնվում է սաղմնային զարգացման մոդելի վրա՝ կիրառելով ցողունային բջիջներ կամ սաղմնային բջջային էլեմենտներ, որոնք պետք է ինքնակազմակերպվեն և ձևավորեն պահանջվող հյուսվածքը։ Երբ բջիջներն իրենց զարգացման վաղ փուլում են, դրանք ինքնուրույն ձևավորում են իրենց արտաբջջային մատրիքսի կառուցվածքային միավորները, ապահովում անհրաժեշտ ազդանշանները, և անկախ կերպով կազմակերպվում՝ ընդունելով պատշաճ դասավորություն և միկրոարխիտեկտուրա, ինչպես նաև կատարելով պահանջվող կենսաբանական ֆունկցիաները։ Այս մեթոդը զարգացնելու և մշակելու համար անհրաժեշտ է ավելի խորապես ուսումնասիրել սաղմի օրգանիզմում հյուսվածքների և օրգանների զարգացման մեխանիզմները։ Գոյություն ունի «առանց սքաֆոլդ» մոդելը, որի դեպքում կիրառվում են ինքնահավաքվող սֆերոիդներ, որոնք միացվում են և ենթարկվում վերակառուցումների, որպեսզի ստանան զարգացող հյուսվածքներ հիշեցնող կառուցվածք։ Ավտոնոմ ինքնահավաքման դեպքում բջիջը դիտարկվում է որպես հյուսվածքների առաջացման գործընթացի (հիստոգենեզի) հիմնական առաջ մղող ուժ, որն ուղղորդում է հյուսվածքների կառուցվածքային և ֆունկցիոնալ հատկանիշների ձևավորումը։ Այս մեթոդով աշխատելու համար անհրաժեշտ են սաղմնային հյուսվածքների առաջացման գործընթացների և բիոտպագրման համար անհրաժեշտ միկրոմիջավայրերի ստեղծման եղանակների վերաբերյալ հիմնավոր գիտելիքներ։

Մանր հյուսվածքային կառուցման բլոկերով բիոտպագրություն
Բիոտպագրության երրորդ մոտեցումն իրենից ներկայացնում է կենսանմանակման և ինքնահավաքման մեթոդների համադրություն, որը կոչվում է մանր հյուսվածքների կամ մինի-հյուսվածքների մեթոդ։ Օրգանները և հյուսվածքները կազմված են շատ մանր ֆունկցիոնալ բաղադրիչներից։ Այս մեթոդի դեպքում վերցվում են այդ բաղադրիչները և դրանց ճիշտ դասավորման արդյունքում ստացվում են ավելի մեծ կառուցվածքներ։

Տպիչներ (պրինտերներ) 

Հասարակ տպիչների նմանությամբ՝ բիոտպիչներն ունեն երեք հիմնական բաղադրիչ՝ օգտագործվող սարքավորումը, բիոթանաքը և այն նյութը, որի վրա կատարվում է տպագրությունը (այդ նյութերը նույնպես լինում են կենսանյութեր)։ Բիոթանաքը սովորաբար այնպիսի նյութ է, որը պարունակում է կենդանի բջիջներ և ունի հեղուկանման հատկություններ, ինչի շնորհիվ հնարավոր է լինում այն «տպել» և դրանից ստանալ պահանջվող կառուցվածքը։ Բիոթանաքը ստեղծելիս գիտնականները բջիջներից և տարբեր նյութերից ստանում են հատուկ շիլայանման զանգված, որն ապա հնարավոր է լինում լցնել քարթրիջի մեջ և տեղադրել հատուկ տպիչի մեջ։ Հաճախ լինում է նաև մեկ այլ քարթրիջ, որը պարունակում է օժանդակ նյութերից կազմված գել (որը երբեմն անվանվում է «բիո-թուղթ»)։

Գոյություն ունի բիոտպագրության մեջ կիրառվող տպիչների մի քանի տարատեսակ։ Դրանցով տպագրության հիմնական տեսակներն են՝ թանաքա-շիթային (inkjet-based) տպագրություն, արտամղմամբ (extrusion-based) տպագրություն, ինչպես նաև լազերային օժանդակմամբ (laser-assisted) տպագրություն։ Թանաքա-շիթային բիոտպիչները սսովորաբար օգտագործվում են արագ և մեծամասշտաբ բիոտպագրության համար։ Այդպիսի տպիչների տեսակներից մեկը, որը կոչվում է drop-on-demand, տպագրությունն իրականացնում է հստակ չափաքանակներով՝ նվազագույնի հասցնելով նյութերի ավելորդ ծախսը։ Տպիչներում նաև կարող են կիրառվել հատուկ լազերներ. այսպիսի բիոպրինտերներն ունեն բարձր ճշգրտություն, սակայն հաճախ դրանց գինը շատ ավելի թանկ է։ Արտամղմամբ աշխատող պրինտերները տպում են բջիջները շերտ առ շերտ՝ հասարակ 3D տպագրության տեխնոլոգիաների նմանությամբ։ Այսպիսի տպիչներում բջիջների հետ միասին կարող են օգտագործվել նաև հիդրոգելեր։

Ազդեցություն
3D բիոտպագրության զարգացումը մեծ ներդրում ունեցավ բժշկության ճյուղ հանդիսացող հյուսվածքային ինժեներիայի ոլորտի զարգացման մեջ՝ թույլ տալով գիտնականներին իրենց հետազոտություններն իրականացնել նորարարական տեխնոլոգիաներով՝ կիրառելով բիոմատերիալներ։ Ինչպես վերևում նշվեց՝ բիոմատերիալներն այնպիսի նյութեր են, որոնք հարմարեցված են և կիրառվում են եռաչափ կենսաբանական օբյեկտների տպագրության համար։  Այդպիսի նյութերից որոշները հաճախ ավելի ամուր են, քան օրգանիզմում հանդիպող բնական հյուսվածքները (փափուկ հյուսվածքներ կամ ոսկրեր)։ Այսպիսի կառուցվածքները ապագայում կարող են կիրառվել որպես օրգանիզմի բնական հյուսվածքների փոխարինիչներ, կամ կարող են նույնիսկ աշխատել ավելի արդյունավետ, քան բնական հյուսվածքները։ Օրինակ՝ ալգինատը անիոնային պոլիմեր է, որն ունի բազմաթիվ կենսաբժշկական կիրառություններ՝ շնորհիվ իր բարձր կենսահամատեղելիության, ցածր տոքսիկության, ամուր կառուցվածքի և հեշտ կիրառելիության ։ Հաճախ կիրառվում են նաև սինթետիկ հիդրոգելեր, այդ թվում՝ PV-ի վրա հիմնված գելեր։ Թթվային նյութի և UV-գործարկմամբ PV-ի վրա հիմնված քրոսլինքերների կիրառումը գնահատվել է Ուեյք Ֆորեսթի բժշկական ինստիտուտի (Wake Forest Institute of Medicine) կողմից և ճանաչվել է որպես հարմար բիոմատերիալ։ Կիրառվում են նաև այլ տարբերակներ, օրինակ՝ տպագրվում են հատուկ միկրոխողովակներ, որոնք մեծացնում են սննդանյութերի և թթվածնի դիֆուզիան հարևան հյուսվածքներից։ Բացի այդ՝ գիտնականները նպատակ ունեն ստեղծել օրգանների մանր տարբերակներ՝ սիրտ, լյարդ, թոքեր՝ նոր դեղամիջոցների փորձարկման նպատակով, ինչը պոտենցիալ կերպով կարող է նվազեցնել փորձերում կիրառվող փորձարարական կենդանիների պահանջվող քանակը։

Ծանոթագրություններ

Գրականություն
 
 

Սինթետիկ կենսաբանություն
Եռաչափ համակարգչային գրաֆիկա
Եռաչափ տպագրություն
Տեխնոլոգիա
Բիոտեխնոլոգիա
Հյուսվածքային ինժեներիա
Բժշկություն
Կենսաբանություն
Գիտություն
Բժշկագիտություն
Հյուսվածաբանություն
Տրանսպլանտոլոգիա
Իմունոլոգիա