Čeka li nas u budućnosti mogućnost 3D printanja mozga?
Iako su neki od nas još uvijek fascinirani funkcijama običnog printera i još uvijek imaju poteškoće sa zamjenom tinte, znanost i tehnologija su neupitno uznapredovali do toga da se danas, više nego ikad prije, oslanjamo na uređaje i strojeve kako bi nam učinili svakodnevni život lagodnijim. Ponekad je zanimljiva „mentalna vježba“ samo zastati na trenutak i zamisliti da živimo u svijetu od prije deset, dvadeset, pedeset ili čak sto godina. Možda nam jedno ili dva desetljeća ne bi činilo ogromnu razliku, ali svaki daljnji odmak bi zasigurno bio izazov našoj prilagodljivosti.
Što je 3D printanje?
Gotovo je nevjerojatno da danas raspolažemo tehnologijom poput 3D printera koji nam omogućavaju kreiranje različitih modela i predmeta od različitih materijala. Taj izum nam je otvorio Pandorinu kutiju novih mogućnosti u različitim područjima ljudske djelatnosti. Kao najveći aduti ove nove tehnologije izdvajaju se ekonomičnost u odnosu na druge načine opskrbe te praktičnost i ekološka prednost. Jedan zgodan, jezgrovit i za laike primjeren pregled o tome kako 3D printeri funkcioniraju možete pogledati na ovom videu od kanala Mashable ili pak na ovom videu od kanala Institute for Manufacturing (IfM), University of Cambridge.
Jeste li znali znali da je prvi 3D printer osmislio Dr. Hideo Kodama 1981. godine, a koristio je smolu koja bi se polimerizirala pomoću UV zračenja. Za one koji su još uvjereni da su 80-e bile prije otprilike 20-30 godina, podsjećamo da je to bilo čak prije četrdeset i tri godine!
Neka od područja primjene 3D printanja su proizvodnja, inženjerstvo, građevina, ali i mnoge druge. Primjerice, čak se i modna industrija uključila u ovu inovativnu tehnologiju unutar koje mnogi proizvodi sadržavaju 3D isprintane elemente ili su čak u potpunosti izrađeni tom metodom. Ono je također zastupljeno u školstvu i prosvjeti za izradu alata koji bi povećali angažman učenika i studenata. Nadalje, danas su mnogi inspirirani pokrenuti vlastiti posao izradom različitih proizvoda i trgovanjem, bilo uživo ili online, te im 3D printanje u tome može značajno pomoći.
Bioprintanje
Posebno zanimljivo područje 3D printanja je tzv. bioprintanje– 3D printanje koje koristi bio-tintu i biomaterijale pomiješane sa stanicama kako bi se iz digitalnih prototipa konstruirali funkcionalni modeli tkiva. Jedna od iznimno korisnih primjena u ovom području je ispitivanje efikasnosti različitih lijekova, pri čemu se može zaobići dosadašnji etički problem s testiranjima na životinjama. Primjerice, ova tehnologija se pokazala korisnom za testiranje efikasnosti lijekova upravo za SARS-CoV-2 virus (Cerezo i sur., 2023). No, možda najuzbudljivija vijest je da nam proizvodi napravljeni tehnologijom 3D bioprintanja potencijalno mogu pomoći u protetici, medicinskim tretmanima i liječenjima u budućnosti.
Javaid i Haleem (2021) u svom članku iznose o mogućnostima koje bioprintanje nudi za različita oštećenja kože i opekotine na način da se izrađuju funkcionalne slojevite strukture pogodne za transplantaciju. Prema Cerezo i suradnicima (2023), bioprintanje se također sve više razmatra kao potencijalno rješenje za probleme vezane uz doniranje tkiva i organa, kao što je nedovoljan broj donora, potreba za konzumacijom imunosupresirajućih lijekova koji mogu imati negativne učinke i sl. Nadalje, Laronda i suradnici (2017) u svom članku iznose uspješni pokušaj razmnožavanja miševa uz pomoć 3D rekonstrukcije tkiva jajnika ženskih miševa. Dakle, primjene u bioprintanju, stvarne ili potencijalne, nebrojene su i neupitno koristsan izum.
3D bioprintanje i mozak
Science Daily objavio je članak u kojem navodi kako je Sveučilište u Wisconsinu, Madison, postiglo neizmjerno postignuće – uspjeli su tehnikom 3D printanja napraviti dio moždanog tkiva koji ima mogućnosti funkcionirati kao pravo tkivo. Dosad su neki od izazova u bioprintanju moždanih tkiva bili nemogućnost mekanih biomaterijala da podržavaju složene moždane strukture, odnosno nemogućnost čvrstih biomaterijala da preuzmu funkciju u tkivu i podrže funkcionalnu povezanost neurona. U svom članku, Yan i suradnici (2024) iznose svoju metodologiju i spoznaje.
Yan i suradnici (2024) koristili su biomaterijal sačinjen od neuralnih i glijalnih subtipova te su, suprotno „tradicionalnoj“ metodi izrade 3D struktura na način da se slojevi biomaterijala slažu jedan na drugi, printali slojeve jedan do drugoga, u horizontalnom smjeru. Opservirajući isprintano tkivo, zaključili su da su neuralni subtipovi formirali funkcionalne neuralne veze između sebe te da su neuroni maturirali uz očuvanje strukture tkiva. U članku od Science Daily znanstvenici iz istraživanja „laički“ objašnjavaju kako je njihov biomaterijal bio dovoljno čvrst da se održi struktura tkiva, a dovoljno mekan da neuroni krenu „pričati“ jedan s drugim. Na stranici Cell Stem Cell, na kojoj je objavljen članak od Yan i sur. (2024) možete pregledati i video na kojem se prikazuje njihov proces bioprintanja, kao i video 3D rekonstrukcije isprintanog tkiva.
Što dalje?
Yan i suradnici (2024), osim novih nada za budućnost, iznose i neka ograničenja svog istraživanja. Za početak kao ograničenje navode nemogućnost vertikalnog slaganja isprintanih slojeva tkiva. Kao još jedan nedostatak navode i ograničenje veličine isprintanog tkiva, navodeći da su održavali debljinu tkiva do oko 50 mikrometara kako mi ostvarili maksimum od formacije neuralnih veza.
Kao ogromnu prednost izdvaja se činjenica da je istraživanje provedeno bez naročito specijalizirane opreme. Prema Science Daily članku, znanstvenici smatraju da bi ova tehnologija trebala biti dostupna laboratorijima, bez posebne opreme za bioprintanje i metoda kultiviranja te koja omogućuje dubinsku analizu s već standardnim instrumentima i tehnikama, kao što su mikroskopi, elektrode i slično.
Svakako, ovo istraživanje je ogroman doprinos znanosti i medicini s implikacijama za buduće tretmane određenih neurorazvojnih i neurodegenerativnih poremećaja, posebice bolesti poput Alzheimerove i Parkinsonove. Znanstvenici iz istraživanja navode kako je ovo korak prema boljem razumijevanju komunikacije između neurona u moždanom tkivu te da ima potencijal mijenjati nam perspektivu na biologiju matičnih stanica, neuroznanost i patogenezu različitih neuroloških poremećaja.
Izvori
Cellink (2024). Bioprinting – explained simply! https://www.cellink.com/blog/bioprinting-explained-simply/Forbes (2023). 3D Printing meets the Billion dollar - Footwear Industry. https://www.forbes.com/sites/carolynschwaar/2023/07/19/3d-printing-meets-the-billion-dollar-footwear-industry/
Gira (2022). First 3D-printed houses in Germany and the UK: Paving the way for future living. https://www.gira.com/uk/en/g-pulse-magazine/building/3d-house-germany#
Institute for Manufacturing (IfM), University of Cambridge (2018). What is 3D printing? https://www.youtube.com/watch?v=bcTzyx35odY
Javaid, M. i Haleem, A. (2021). 3D bioprinting applications for the printing of skin: A brief study. Sensors International, 2, 100123.
Laronda, M. M., Rutz, A. L., Xiao, S., Whelan, K. A., Duncan, F. E., Roth, E. W., ... i Shah, R. N. (2017). A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice. Nature communications, 8(1), 15261.
Mashable (2014). What Is 3D Printing and How Does It Work? https://www.youtube.com/watch?v=Vx0Z6LplaMU
Mendoza-Cerezo, L., Jesús, M. R., Macías-García, A., Marcos-Romero, A. C. i Díaz-Parralejo, A. (2023). Evolution of bioprinting and current applications. International journal of bioprinting, 9(4), 742.
Ultimaker (2024). The Complete History of 3D Printing. https://ultimaker.com/learn/the-complete-history-of-3d-printing/
University of Wisconsin-Madison (2024). Researchers 3D-print functional human brain tissue. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240201212823.htm
Yan, Y., Li, X., Gao, Y., Mathivanan, S., Kong, L., Tao, Y., ... i Zhang, S. C. (2024). 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity. Cell Stem Cell, 31(2), 260-274.