چگونه چاپ سه‌بعدی زیستی، صنایع دارویی و پزشکی را کامل می‌کند؟
با پیشرفت‌های اخیر تکنولوژی، چاپ سه‌بعدی در صنایع مختلفی مانند معماری، اتومبیل و هوافضا تقاضای زیادی داشته است. در دو دهه گذشته، با پیشرفت چاپ سه‌بعدی به چاپ سه‌بعدی زیستی (۳D bioprinting)، می‌توان ساختارهای سلولی سه‌بعدی مانند بافت‌ها یا اندام‌ها را ساخت. چاپ سه‌بعدی زیستی زمینه‌ای نوظهور است و بخش سلامت یکی از بازارهای اصلی است که توسط آن دچار تغییرات عمده‌ای شده است.
چاپ سه‌بعدی زیستی حالتی از چاپ سه‌بعدی است که در آن از “جوهر زیستی یا bio-ink” استفاده می‌شود. چاپ سه‌بعدی زیستی شامل سه مرحله است: ۱) ایجاد چندین لایه از مدل‌های دوبعدی ۲) فرایند چاپ که در آن جوهر زیستی به منظور تولید بافت سلولی استفاده می‌شود ۳) عمل کشت و تثبیت ساختار چاپ شده با استفاده از مواد زیستی و با کمک تحریک‌های مکانیکی و بیوشیمیایی.
نزدیک‌تر شدن قابلیت‌های سازه‌های زیستی چاپ‌شده به بافت‌های طبیعی، باعث کاربرد آن‌ها در سه حوزه اصلی شده است؛ اول، با استفاده از چاپگر سه‌بعدی زیستی در فرآیند آزمایش بالینی داروها، هزینه‌های تحقیق و توسعه صنعت داروسازی را به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. دوم، هنگامی که تکنیک چاپ سه‌بعدی زیستی به اندازه کافی کامل باشد، پتانسیل این را دارد که بحران لیست انتظار پیوند عضو را حل کند. سوم، ارگان‌های چاپ‌شده زیستی ممکن است در مراکز پزشکی به منظور آموزش دانشجویان و پزشکان مورد استفاده قرار گیرند. در سال ۲۰۱۹ بازار جهانی چاپ سه‌بعدی زیستی ۵۸۶/۱۳ میلیون دلار ارزش‌گذاری شده است و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۵ با نرخ رشد مرکب سالانه ۲۱/۹۱ به ارزش ۱۹۴۹/۹۴ میلیون دلار برسد.
چگونه ۳D bioprinting می‌تواند توسعه دارو را تسریع کند؟
کشف و توسعه دارو یک تجارت وقت‌گیر و گران است. میزان موفقیت دارویی که وارد آزمایش‌های بالینی می‌شود تقریبا ۱۰ درصد است. با در نظر گرفتن نرخ پایین موفقیت، مرکز مطالعات دارویی Tufts تخمین زده است که هزینه هر دارو از توسعه اولیه تا بازاریابی تقریبا ۲/۶ میلیارد دلار است. اکثر داروهای کاندیدشده به دلیل سمیت غیرمنتظره یا درک ناقص از مکانیسم‌های اساسی آن‌ها در بدن انسان، در آزمایش‌های بالینی شکست می‌خورند. فرآیند کنونی کشف دارو و مدلسازی بیماری‌ها، شامل استفاده از حیوانات و رده‌های سلولی (cell line) هستند که نمی‌توانند محیط فیزیولوژیک و بیمار انسان را به طور کامل شبیه‌سازی کنند. حتی با وجود نتایج امیدوارکننده در مطالعات پیش-بالینی، بسیاری از داروها در نتیجه در کارآزمایی بالینی خود ناکام می‌شوند.
بافت‌های به دست آمده به روش ۳D bioprinting برای استفاده در فرآیند کشف دارو امیدوارکننده هستند؛ زیرا مدل‌های دقیقی از بافت انسان را ارائه می‌دهند و می‌توانند در حوزه غربالگری داروها و مدلسازی بیماری‌ها انقلابی ایجاد کنند. به عنوان مثال شرکت Organovo در تولید چاپگر سه‌بعدی زیستی موفق بوده است و می‌تواند بافت کبد و کلیه را به منظور استفاده در فرآیند کشف دارو، تولید کند.
۳D bioprinting ممکن است بحران پیوند عضو را برطرف کند
طبق اطلاعات دولت ایالات متحده در مورد اهدا و پیوند عضو، تا جولای ۲۰۱۹ بیش از ۱۱۳,۰۰۰ نفر در لیست انتظار پیوند عضو قرار داشته‌اند. تفاوت در تعداد افراد واجد شرایط اهدا عضو و گیرندگان، روزانه مسئول مرگ ۲۰ بیمار است. اما اگر چاپگرهای سه‌بعدی زیستی بتوانند هر عضو از بدن انسان را چاپ کنند که بیماران عضو پیوندی خود را به موقع دریافت کنند، می‌توانند راه‌حلی ارزشمند برای بحران پیوند باشد.
در سپتامبر ۲۰۱۹، استارتاپ بیوتکنولوژی BIOLIFE4D مستقر در شیکاگو، با موفقیت توانسته است یک قلب کوچک انسان را چاپ کند که دارای بسیاری از ویژگی‌های عملکردی قلب انسان است. کار استارتاپ BIOLIFE4D دستاورد بزرگی در زمینه چاپ سه‌بعدی زیستی ارگان‌ها انسانس برای پیوند است.
استفاده از ۳D bioprinting در فرآیند آموزش پزشکی
در حالی که ۳D bioprinting پتانسیل استفاده در کشف دارو و پیوند اعضای بدن را دارد، انجام این کار مسلما به تحقیقات و اکتشافات گسترده‌تری نیاز دارد. خوشبختانه بافت‌ها و اندام‌های تولید شده به روش ۳D bioprinting برای تسهیل در آموزش پزشکی، امکان‌پذیرتر است. هنگامی که یک محصول چاپی سه‌بعدی با مواد مختلف زیستی ترکیب می‌شود، می‌تواند ابزاری برای شبیه‌سازی موقعیت‌های پزشکی برای پزشکان و دانشجویان پزشکی به منظور اهداف آموزشی باشد. شرکت‌ها می‌توانند مدل‌های اختصاصی متناسب با بیماران را چاپ کنند که به پزشکان کمک کند تا ناحیه بیماری را دقیق‌تر مورد هدف قرار داده و میزان موفقیت عمل‌های پیچیده را افزایش یابد. با توجه به رشد سریع بازار پزشکی شخصی یا فردمحور (Personalized Medicine)، این حیطه از کاربرد چاپ سه‌بعدی زیستی می‌تواند در آینده نزدیک بسیار مورد استقبال قرار گیرد.
چالش‌های پیش روی ۳D bioprinting
با گسترش استفاده از بافت‌های چاپ‌شده‌ی، چندین چالش به وجود می‌آید. برای هر نوع کاربرد پزشکی، ایمنی همیشه باید در اولویت باشد. قبل از استفاده از چاپ سه‌بعدی زیستی در انسان، مقررات سختگیرانه‌ای باید اعمال شود. همچنین برآورد هزینه ارگان‌های بیولوژیکی سه‌بعدی در آینده دشوار است و هنوز مشخص نیست که شرکت‌های بیمه درمانی چگونه چنین محصولات سفارشی را اداره می‌کنند. علاوه بر این دانشمندان باید جوهرهای زیستی بیشتری برای بافت‌ها توسعه دهند. شرکت‌ها برای افزایش وضوح بافت‌های پرجزئیات باید چاپگرهای سه‌بعدی زیستی فعلی را بهبود بخشند. برای زنده نگه داشتن سلول‌ها در طی مراحل چاپ و برآوردن نیازهای تولیدات در مقیاس بزرگ، باید سرعت چاپ افزایش یابد. چاپ سه‌بعدی زیستی می‌تواند صنعت داروسازی را بهبود بخشد اما ممکن است به طور کامل جایگزین مدل‌های فعلی آزمایش روی حیوانات نگردد. راه طولانی خواهد بود تا قبل از اینکه ۳D bioprinting بستر کشف و توسعه دارو در صنعت داروسازی شود.