Science-Fiction wird Realität: Sprühen zur Heilung, biologischer 3D-Druck zeichnet ein Bild vom Code des Lebens

Aufgrund der Berichterstattung in den 315-Nachrichten ist Sauerkraut das Lebensmittel, das in letzter Zeit niemand sehen möchte. Es ist so ekelhaft, dass manche Menschen sogar eine leichte posttraumatische Belastungsstörung davon bekommen. Als ich die etwa ein Dutzend alten Trocknungsverfahren sah, musste ich an Paare großer Füße denken, die speziell eingelegt wurden. Verschiedene Lebensmittel aus der Sauerkraut-Reihe, darunter Instantnudeln, Sauerkrautfisch usw., waren stark betroffen, was viele Unternehmen in Mitleidenschaft zog. Das Seltsame ist jedoch, dass die Instantnudeln von White Elephant ausgerechnet in einer Zeit, in der die meisten Instantnudeln-Hersteller Probleme hatten, unerwartet populär wurden und ausverkauft waren.

Die plötzliche Aufmerksamkeit, die Baixiang zuteil wurde, geht auf ein kurzes Video zurück, das enthüllte, dass ein Drittel der Mitarbeiter von Baixiang eine Behinderung haben. Baiyang Instant Noodles hat zwar keinen hohen Marktanteil unter allen Instant-Nudel-Unternehmen, stellt jedoch sogar ein Drittel seiner Mitarbeiter mit Behinderungen ein und weitet so seine soziale Verantwortung auf diejenigen aus, die sie am meisten brauchen. Solche Werte werden von unzähligen Konsumenten anerkannt, daher ist es kein Wunder, dass alle wieder wild mit dem Konsum begonnen haben.

Laut Angaben der Weltgesundheitsorganisation vom November 2021 leben weltweit mehr als eine Milliarde Menschen mit Behinderungen, und die Zahl der Menschen mit Behinderungen steigt aufgrund der Bevölkerungsentwicklung und der steigenden Zahl von Patienten mit chronischen Erkrankungen von Jahr zu Jahr. In den letzten Jahren, als die COVID-19-Pandemie wütete, war das Leben von Menschen mit Behinderungen stark beeinträchtigt. Diese gefährdete Gruppe wurde aufgrund ihrer eingeschränkten Mitsprache vernachlässigt. Aufgrund der Infrastruktur und Konzepte für Behinderte im Inland ist der Alltag von Menschen mit Behinderungen sehr schwierig und überall sind Gleichgültigkeit und Diskriminierung zu finden, ganz zu schweigen von der Teilnahme an der gesellschaftlichen Wertschöpfungskette und der Mitwirkung an solchen Projekten.

Nach Angaben der Chinesischen Behindertenvereinigung lag die Zahl der behinderten Menschen in China bereits im Jahr 2010 bei über 85 Millionen. Und jetzt ist ihre Zahl sogar noch höher, sie liegt schätzungsweise bei über 100 Millionen, und sie sind mit einer noch schwierigeren Situation konfrontiert als wir. Bei diesen Menschen sind angeborene Behinderungen nur ein Teil; erworbene Behinderungen gibt es überall. Zu den Behinderungen zählen Taubheit und Blindheit, Lähmungen und Aphasie sowie verschiedene Funktionsstörungen. Unabhängig von der Art der Behinderung gibt es im Alltag viele Herausforderungen. Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sowie der kontinuierliche Fortschritt im biomedizinischen Bereich haben zu Durchbrüchen bei der Diagnose und Behandlung einiger Behinderungen geführt. Vor kurzem hat ein Behandlungsplan für Lähmungen Millionen gelähmter Menschen gute Nachrichten gebracht.

Befreie deinen Körper

Erinnern Sie sich noch an diese schockierenden Neuigkeiten: Einige Leute stürzten beim Spielen im Trampolinpark, verletzten sich die Wirbelsäule und wurden gelähmt, und einige Leute verletzten sich die Wirbelsäule und wurden im Unterkörper gelähmt, weil sie beim Tanzenlernen eine gebeugte Rückenhaltung hatten. Im wirklichen Leben führen versehentliche Stürze, Verkehrsunfälle, falsche körperliche Betätigung usw. zum Risiko einer Querschnittslähmung und beeinträchtigen die Lebensqualität.

Berichten zufolge gibt es weltweit Millionen von Menschen, die aufgrund von Rückenmarksverletzungen, Nervenzellschäden, Nervenfaserrissen, Rückenmarksdurchtrennungen usw. gelähmt sind, und für diese Patienten gibt es noch immer keine wirksame Behandlungsmöglichkeit. Wenn man einmal gelähmt ist, ist man für den Rest seines Lebens an den Rollstuhl gefesselt. Allein der Gedanke daran ist sehr deprimierend.

Bei der neuen Therapie wird 3D-biogedrucktes Gewebe zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen eingesetzt, was Menschen mit Rückenmarksverletzungen Hoffnung gibt. In Tierversuchen konnte mit dieser neuen Therapie bei 100 % der Mäuse mit Lähmungen im Frühstadium und bei 80 % der Mäuse mit Langzeitlähmungen die Gehfähigkeit wiederhergestellt werden.

Diese neue Therapie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Unternehmen der regenerativen Medizin. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Tal Dvir vom Sagol Center for Regenerative Biotechnology an der Universität Tel Aviv in Israel hat in Zusammenarbeit mit dem israelischen Unternehmen für regenerative Medizin Matricelf ein 3D-gedrucktes Implantat aus Rückenmarksgewebe entwickelt, mit dem eine gebrochene Wirbelsäule wirksam repariert werden kann.
Bei Tests an gelähmten Mäusen konnte ein neuartiges, im 3D-Druckverfahren hergestelltes Rückenmarksgewebeimplantat die beschädigte Wirbelsäule der Mäuse schnell reparieren und ihnen so letztendlich die Gehfähigkeit zurückgeben. Dies ist zudem das weltweit erste Beispiel eines Gewebezüchtungsimplantats, das die Mobilität in einem langfristig gelähmten Tiermodell wiederherstellt. Dieser erfolgreiche Modellversuch ist zugleich das relevanteste Modell für die Behandlung menschlicher Lähmungen und bietet Menschen mit Rückenmarksverletzungen neue Möglichkeiten für ein aufrechtes Leben.

Forscher haben verschiedene Methoden vorgeschlagen, um das verletzte Rückenmark zu verbinden, beispielsweise die Transplantation unterschiedlicher Zelltypen oder Biomaterialien an die beschädigte Stelle während der akuten Verletzungsphase. Es wurden verschiedene Zelltransplantationstherapien getestet, darunter mit neuralen Stammzellen und neuralen Vorläuferzellen.
Die experimentellen Ergebnisse waren jedoch nicht optimal. Entweder kam es zu Immunabstoßungsreaktionen durch allogene oder xenogene Zellen oder die transplantierten Zellen konnten keine erfolgreichen funktionellen Netzwerke bilden, was zu einem Transplantatversagen führte.

Mithilfe der 3D-Bioprinting-Technologie können die Zellen und die extrazelluläre Matrix des Patienten gleichzeitig gedruckt werden, um lebendes Gewebe und Organe zu erzeugen. Die Forscher verwendeten die extrahierte extrazelluläre Matrix, um ein personalisiertes Hydrogel herzustellen, das bei der Implantation keine Immunabstoßungsreaktion auslöste. Durch die Einkapselung der kultivierten Stammzellen in Hydrogele können diese die embryonale Entwicklung des Rückenmarks simulieren und anschließend zu einem dreidimensionalen neuronalen Netzwerkimplantat mit Motoneuronen werden.

In einem Vergleichsexperiment implantierten die Forscher Empfängermäusen das neue 3D-Neuralnetzwerkimplantat, das in der Lage war, die beschädigte Wirbelsäule gelähmter Mäuse schnell zu reparieren. Letztendlich erlangten alle akut gelähmten Mäuse, die die Transplantation erhalten hatten, ihre Gehfähigkeit zurück, und 80 % der Mäuse im Mausmodell mit Langzeitlähmung erlangten ihre Gehfähigkeit zurück.
Mithilfe der 3D-Bioprinting-Technologie können Gewebetransplantate aus dem Rückenmark gedruckt werden, um Lähmungen zu heilen und Organismen, die ihre Gehfähigkeit verloren haben, die Möglichkeit zu geben, diese wiederzuerlangen. Dieser Durchbruch hat die Weiterentwicklung der regenerativen Medizin des Rückenmarks zweifellos einen großen Schritt nach vorne gebracht.

Was die Anwendung dieser Technologie im menschlichen Körper betrifft, so wird berichtet, dass Matricelf derzeit aktiv mit der US-amerikanischen FDA kommuniziert und sich darauf vorbereitet, vor Ende 2024 mit seinen 3D-gedruckten Rückenmarksimplantaten Versuche am Menschen zu beginnen. Von der Heilung von Lähmungen beim Menschen könnten also nur noch wenige Jahre entfernt sein. Denken Sie nur einmal darüber nach: In ein paar Jahren werden Millionen von Menschen von dieser Technologie profitieren und ihre Gliedmaßenfreiheit zurückgewinnen. Es ist aufregend.

Gewebeschäden und Degeneration sind häufige Phänomene im menschlichen Körper. Bei manchen schweren Traumata ist die Regenerationsfähigkeit des menschlichen Körpers jedoch nicht in der Lage, damit umzugehen und eine Selbstheilung herbeizuführen. Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie für biologisches Gewebe kann auch neue Lösungen für die Transplantation bestimmter Gewebe und Organe bringen.

„Blühende“ Durchbrüche in mehreren Bereichen

Dank der rasanten Entwicklung des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin ist die 3D-Bioprinting-Technologie derzeit eine der fortschrittlichsten Technologien im Bereich des medizinischen Tissue Engineering. Es umfasst die fortschrittlichsten Technologien der Materialwissenschaft und Biotechnologie und wird zur Herstellung von Ersatz und zur Reparatur beschädigter Gewebe und einfacher Organe eingesetzt.

Die 3D-Biodrucktechnologie ähnelt der herkömmlichen 3D-Drucktechnologie. Beide verwenden einen Top-Down-Ansatz, bei dem Schicht für Schicht komplexe und präzise dreidimensionale Strukturen erzeugt werden. Der Unterschied besteht darin, dass das ultimative Ziel der 3D-Biodrucktechnologie darin besteht, Gewebe oder Organe Schicht für Schicht aufzubauen.

Der Schlüssel zur 3D-Biodrucktechnologie liegt im Entwurf des Modells der gedruckten Organe und in der Auswahl der biologischen Tinte. Nehmen wir beispielsweise Biotinte. Dabei handelt es sich in der Regel um ein Verbundmaterial aus biologischen Materialien, Zellen und anderen notwendigen Bestandteilen. Denn mit dieser Technologie können funktionelle menschliche Gewebe oder Organe wie Herz, Leber, Haut, Knochen usw. untersucht und hergestellt werden. Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt daher darin, die Aktivität und Funktionalität von Biotintenmaterialien zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

(3D-gedrucktes, vollständig vaskularisiertes menschliches Mini-Herz)

Im Bereich Organtransplantation und Gewebetransplantation gibt es Lösungen wie die 3D-Organdrucktechnologie, die iPSC-Technologie und die Xenotransplantation. Diese verschiedenen Lösungen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und werden zur Lösung unterschiedlicher Transplantations- und Behandlungsbedürfnisse eingesetzt. Im Vergleich dazu muss der 3D-Organdruck die Einschränkungen der Biotinte überwinden, bei der xenogenen Organtransplantation müssen noch die Probleme der Immunabstoßung und der endogenen Viren im Tierreich gelöst werden und mit der iPSC-Technologie ist der Organaufbau noch immer schwierig. Diese Lösungen und Technologien entwickeln sich in ihren jeweiligen Bereichen parallel und zielen alle darauf ab, das Problem der unzureichenden Anzahl an Organspendern zu lösen.

Auch in der tatsächlichen klinischen Anwendung hat die 3D-Biodrucktechnologie viele neue Durchbrüche erzielt. Kürzlich hat das orthopädische Team des Shanghai Ninth People's Hospital in China eine neue Art der 3D-Biomaterialdrucktechnologie entwickelt, bei der patienteneigene Zellen extrahiert werden, um den Druck des zu implantierenden Knochenmaterials zu simulieren. Das gedruckte Knochenmaterial wird in den menschlichen Körper transplantiert und die Knochenzellen bewirken eine Knochenfusion, wodurch Wachstum und Genesung schneller und effizienter werden. Es wird gesagt, dass diese Technologie bisher weltweit bei drei klinischen Operationen zum Einsatz kam, die alle im Shanghai Ninth People's Hospital durchgeführt wurden.

Neben den klinischen Anwendungen im medizinischen Bereich kann die 3D-Drucktechnologie auch bei Arzneimittelstudien, in der chirurgischen Ausbildung und im Umweltschutz im medizinischen Bereich eingesetzt werden.

Ein von Anthony Atala geleitetes Institut in den USA hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie ein neues biologisches Gewebe entwickelt, mit dem die Toxizität von Medikamenten getestet werden kann. Diese Technologie wurde auch in Forschungsexperimenten eingesetzt, um die Toxizität von Medikamenten gegen das neue Coronavirus zu testen.

Im Bereich Umweltschutz haben einige Forscher versucht, mithilfe der 3D-Biodrucktechnologie bionische 3D-gedruckte Korallen herzustellen. Als neues Werkzeug für koralleninspirierte Biomaterialien kann es in der Algenbiotechnologie, im Korallenriffschutz und in der Korallen-Algen-Symbioseforschung eingesetzt werden.

Ob in der klinischen Medizin oder über den Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin hinaus – die Anwendung der 3D-Bioprinting-Technologie versucht, in diesen Bereichen neue Türen zu öffnen und bisher langsame und stagnierende Forschungsbereiche mit neuen Chancen und Möglichkeiten zu verbinden.

Nächster Halt: Leben drucken

Wir können sehen, dass in den letzten zwei Jahrzehnten viele biologische 3D-Drucktechnologien entwickelt und in vielen biomedizinischen Bereichen angewendet wurden, darunter im Tissue Engineering, bei Krankheitsmodellen und im Arzneimittelscreening. Dennoch sind die meisten biologischen 3D-Biodrucktechnologien noch weit von klinischen und translationalen Anwendungen entfernt und stehen vor vielen Hindernissen.

1. Einschränkungen der Kerntechnologie selbst. Von Organgewebemodellen bis hin zu Biotinten-Rohstoffen muss die gesamte Systemtechnologie verbessert werden. Beispielsweise wird die Haltbarkeit von Biotintengewebe durch verschiedene Bedingungen wie Mikroumgebung und Temperatur eingeschränkt. Der Durchbruch einer einzelnen Drucktechnologie kann die klinische Transformation und Anwendung der 3D-Biodrucktechnologie nicht unterstützen.

2. Richtlinien und behördliche Vorschriften ergänzen und verfeinern. Bei der klinischen Anwendung der 3D-Bioprinting-Technologie mangelt es an wirksamen Regulierungsrichtlinien zum Schutz der klinischen Anwendungsumgebung für medizinisches Personal und Forscher. Bei solchen Produkten der personalisierten Medizin sind umfassende Diskussionen und die Einholung von Meinungen erforderlich, um den Boden für Innovation und Anwendung zu sichern.

3. Veränderungen der medizinischen Versorgungs- und Patientenkonzepte in der klinischen Anwendung. Die klinische Anwendung der 3D-Bioprinting-Technologie bedeutet personalisierte Medizin, die auch Anforderungen an die Vorstellungen von medizinischem Personal und Patienten stellt und von beiden Seiten eine aufgeschlossene Akzeptanz neuer medizinischer Produkte und Geräte erfordert. Die personalisierte Medizin bringt sowohl für das medizinische Personal als auch für die Patienten weitaus mehr Risiken und Verantwortung mit sich als die standardisierte Medizin.

Obwohl diese Einschränkungen die großflächige Anwendung der 3D-Biodrucktechnologie behindert haben, strebte die 3D-Biodrucktechnologie im Hinblick auf biomedizinische Anwendungen insgesamt danach, in eine neue Phase einzutreten und hat gute Fortschritte erzielt. Beispiele hierfür sind der Druck von großformatigen Geweben und Organen, die Erstellung von Krankheitsmodellen, die Konstruktion mikrophysiologischer Systeme und Organchips, Bioroboter und Biodruck im Weltraum.

Im Bereich der großflächigen Gewebedrucktechnologie können beispielsweise In-situ-Bioprinting-Lösungen Gewebe direkt an der Verletzungsstelle in 3D drucken.

Ein Forschungsteam hat das Gerät an einem biologischen Modell des menschlichen Magens getestet und seine Wirksamkeit beim Biodruck lebender Zellen und bei der Wundheilung überprüft. Die Technologie könnte künftig zur Behandlung von Magenwandverletzungen eingesetzt werden. In Zukunft soll beschädigtes Gewebe durch einfaches Scannen der Wunde und Aufsprühen von „Bio-Tinte“ repariert werden. Die Medizintechnik der Zukunft wird im Film umgesetzt.

Allerdings handelt es sich bei dieser coolen Spitzentechnologie nicht um einen einsamen Kampf auf einem einzigen Gebiet. Es betrifft verschiedene Bereiche wie Materialien, Chemie, Medizin, Biologie usw. Um weiterzukommen, sind gemeinsame Forschung und Entwicklung in diesen Bereichen erforderlich. Bei erfolgreicher Anwendung im großen Maßstab wird es einen beispiellosen Beitrag zum Gesundheitsbereich leisten.

Die Verbesserung der Lebensqualität und die Verzögerung des Alterns sind die Hauptthemen der Humanforschung im Bereich der Biowissenschaften. Mit der Beschleunigung des Zeitalters der allgemeinen Alterung werden die Pathologie und Alterung von Organen und Geweben die am stärksten betroffenen Bereiche im medizinischen Bereich sein. Die auf 3D-Bioprinting basierende biotechnologische Revolution kann unserem Leben einige neue Möglichkeiten eröffnen. Ob es um die Befreiung der Gliedmaßen gelähmter Menschen oder die Behandlung und den Ersatz erkrankter Gewebe und Organe geht, es gibt uns ein gewisses Maß an Zuversicht und Mut, einer unkontrollierbaren Zukunft entgegenzutreten.

Um die Lebensqualität zu verbessern und die Lebenserwartung zu verlängern, müssen Sie jedoch neben einem gesunden Lebensstil auch mehr Geld sparen, um sich fortschrittliche medizinische Leistungen leisten zu können. Denn ohne Geld ist alles unmöglich. Konzentrieren Sie sich lieber darauf, hart zu arbeiten.