وقد تحول مجال الطب الشخصي عن طريق إدماج تقنيات التصنيع المتقدمة، ولا سيما الطباعة الثلاثية الأبعاد، ومن بين التطورات الواعدة للغاية إنشاء أنسجة مصممة ومصممة على نطاق واسع تشمل شبكات من سفن الدم الوظيفية، وتعالج هذه المباني تحديا أساسيا في هندسة الأنسجة السميكة أو المعقدة، حيث يمكن أن تتلقى الباحثات المصممات الكيمائية بيانات كافية عن الاختبارات المصممة للأنسجة.

فهم التعليمات المثقفة

وتُعرَّف البنايات المذهلة بأنها مائلات من الأنسجة المصممة التي تشمل شبكة متكاملة من القنوات أو السفن المصممة لتكرار دور سفن الدم الطبيعي، وفي الكائنات الحية، يكون النظام الأوعية الدموية مسؤولاً عن إيصال الأكسجين والمغذيات، وإشارة الجزيئات إلى الخلايا، مع إزالة النفايات الأيضية، وبدون هذا النظام، لا يمكن للأنسجة المصممة أن تنجواً أكثر من 200 ميكروميتر.

وقد تطورت عملية تطوير البناءات المثقفة على مدى عقدين، واعتمدت الجهود الأولية على أنماط القنوات البسيطة التي نشأت عن المواد التضحية، ولكن هذه الوسائل تفتقر إلى الفرع الهرمي الذي يميز العزلة الأصلية، وتستعمل النهج الحديثة ديناميات السائل المحسوب المتطورة والبيانات التصويبية لتصميم شبكات توزع التدفق على الوجه الأمثل، كما أن المواد المستخدمة تؤدي دورا حاسما:

أنواع البنى المثقفة

ويمكن تصنيف المباني المثقفة حسب طريقة تطبيقها وتلفيقها المقصودة، حيث تحتوي المباني المذاعة على خلايا ثابتة في القنوات التي تُشكل أثناء الطباعة؛ وتنظم هذه الخلايا في هياكل شبيهة بالكابلة بعد زرعها، وتدور فئة أخرى في مجال التعميم الفيزيائي، حيث يتم زرع البنى بنُهج التعقيدات الدقيقة التي تُوجّه الرشّة الجاهزة للزراعة.

دور الطباعة 3D في هندسة Tissue

وقد أصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد حجر الزاوية في هندسة الأنسجة لأنها توفر الدقة والتكييف دون مضاهاة، وببناء طبقة من الهياكل حسب الطبقات المستمدة من النماذج الرقمية المستمدة من التصوير المغناطيسي المحوسب أو التصوير المغناطيسي، يمكن للطباعة 3D أن تنتج مطويات مائل تتطابق تماما مع العيوب التشريحية للمريض، وهذا التخصيب يقلل من الحاجة إلى إدخال تعديلات على الميكانيكيين.

كما أن التكنولوجيا تتيح إدراج مواد متعددة في مبنى واحد، ويعني ذلك بالنسبة للأنسجة المثقفة، طباعة هيكل مائل متين إلى جانب هوامش هيدروجيلية خفيفة اللون تحتوي على خلايا إندوتيلولية، وقدرة على التحكم في التوزيع المكاني للخلايا وعوامل النمو، أهمية حاسمة لتوجيه تنظيم الأنسجة ووظيفتها، وعلاوة على ذلك، فإن الطباعة 3D تيسر إنشاء شبكات ميكانيكية صغيرة الحجم، تبلغ مقياسا صغيرا 100 ميكروتر.

(ب) الطباعة البيولوجية مع الخلية - لادن

كما أن الطباعة البيولوجية هي مجموعة فرعية من الطبع 3D تستخدم الاضطرابات الحيوية - الإعالة من الخلايا الحية في مهبط مائي قابل للطباعة، أما بالنسبة للتشييدات المثقفة، فتشمل الخلايا ذات الصبغة الدهونية، والخلايا العضلية السلسة، أو سلائف البيركيت، فتؤثر خيارات التنويم البيولوجي على قدرة الخلايا على البقاء أثناء الطباعة وبعد الطباعة، فهي تفتقر إلى حد كبير إلى الطباعة

Fused Deposition Modeling (FDM) and Selective Laser Sintering (SLS)

أما نماذج الترسيب المزودة بالأجهزة الصنعية فتنقّل طبقة التليفزيون الحرارية حسب الطبقات، أما بالنسبة للتشييدات المذاعة، فإن الكيماويات المستخدمة في صنع القالب التضحية أو هياكل الدعم الصلبة، فهي تستخدم عادة في إنتاج مسحوق لاسيئي غير متجانس، حيث يمكن مثلا طباعة ملوثات غير مصممة على أساس المادة المحتوية على نمط فرعي، ثم تذوب بعد 400 قناة

الطلبات المقدمة في الطب الشخصي

وقد أدى تقارب الطباعة بواسطة 3D والطب الشخصي إلى تطبيقات تلبي احتياجات معينة للمرضى، ويجري تطوير هياكل مثقفة من أجل زرعها، والتخطيط الجراحي، واختبار المخدرات، ونموذج الأمراض، وفي كل حالة، فإن القدرة على تصميم البناء حسب علم التشريح والمرضى الفردي تحسن النتائج مقارنة بالحلول التي تناسب الجميع.

المثقفين الجلديين المثقفين بالضحايا المحترقين

إن حروق الحرق تتطلب في كثير من الأحيان حزماً ذاتية، ولكن مواقع المتبرعين محدودة ويمكن أن تكون معالجة بطيئة، وأجهزة الأشعة المقطعية التي تُعَلّم الجلد، تقدم طبقة من الشحوم، وتُظهر هذه الخيوط، وأجهزة الاختناق المُتَصَدِّرة، وطبقة مُستَوَجَة من الجروح.

Cardiac Patches for Myocardial Repair

ويتسبب الارتشاء البطني في فقدان مناديل النسيج المتقلص بصورة لا رجعة فيها.

نماذج كيتني لفحص السموم

(ب) إن السمية النيفورية الناتجة عن المخدرات هي سبب رئيسي لفشل التجارب السريرية، وتفشل ثقافات الخلايا التقليدية ذات الأبعاد في تكرار الهيكل المعقد وظروف التدفق في الكلية.

تطبيقات ناشئة أخرى

بالإضافة إلى هذه الأمثلة، يتم استكشاف ثلاثية الأبعاد للتشييد المثقف من أجل إصلاح العظام (حيث تكون إمدادات الدم حاسمة بالنسبة للأورام النسيجية)، ومسح أنسجة الكبد (لبحث أمراض التهاب الكبد والمرض الأيض)، وقطع الشريان الجذري المثقف، في الأوعية، استخدمت تجربة حديثة

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم الكبير، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن تصبح البنايات المثقفة التي يتم طبعها بواسطة 3D أدوات سريرية روتينية، وتمتد هذه التحديات إلى التعقيد البيولوجي، وقابلية التصنيع للتصعيد، ومسارات تنظيمية.

القيود الحالية

ويتمثل التحدي البيولوجي الرئيسي في إعادة رسم الهيكل الهرمي المتعدد النطاق للخصائص الأصلية، وتتراوح سفن الدم الطبيعي بين الشرايين الكبيرة والأغطية، وكل منها خصائص آلية متميزة وتكوين خلايا خلوية. ويمكن للطباعة ٣ دال أن تنتج قنوات تصل إلى نحو ١٠٠ ميكروتر، ولكن شبكات الأسرى الحقيقية )٥-١٠ ميكروترات( تتطلب صبغة ذاتية من الخلايا البحثية الثابتة التي لا تزال تحتل.

ومن المسائل الأخرى التي تُعتبر مسألة التصعيد، ومعظم نظم الطباعة الأحيائية تنتج تركيبات لقلة من أجهزة الاستنشاق؛ وتستلزم أجهزة التصنيع بكاملها نُهجا جديدة، ويحد السرعة من الحاجة إلى الحفاظ على قدرة الخلايا على البقاء خلال فترات طويلة من الطباعة، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المواد المستخدمة قابلة للتعقيم وأن تحافظ على ممتلكاتها بعد التخزين، وكثيرا ما تتحلل الهيدروجيلات الحالية بسرعة أو ببطء شديد مقارنة بمعدلات تجديد الأنسجة.

كما أن الاستجابة المأهولة والاندماج الفيزيائي يطرحان تحديات، وحتى مع الخلايا الآلية، فإن المواد ذات الاختناق يمكن أن تؤدي إلى التهاب، وقد تُجلّى الميكانيكيات الدقيقة أو تنهار عند زرعها إذا لم تصمم تصميما سليما، ولم تُثبت الرعايا الطويلة الأجل للسفن المطبوعة بعد بضعة أشهر من دراسات حيوانية كبيرة، وتحتاج الوكالات التنظيمية إلى التحقق على نطاق واسع من السلامة والكفاءة، وإلى الطابع الإلزامي لهذه المعايير.

التكنولوجيات الناشئة والجهود التعاونية

ويعالج الباحثون هذه القيود من خلال الابتكارات في علوم المواد، ومعدات الطباعة الحيوية، والنموذج الحاسوبي، مثلاً، فإن التصورات الحيوية الجديدة التي تخضع لفرز الماشية وتعالج بسرعة ذاتية تسمح بإيجاد حل أعلى دون إلحاق ضرر بالخلايا، ويمكن أن تخلق تقنيات الطباعة الفاكسية جدراناً من السفن ذات القاعتين الداخليتين من الخلايا الثابتة وطبقة خارجية من الشرايين المحلية المتحركة.

وفي مجال التصوير والتصميم، يمكن أن تؤدي خوارزميات التعلم الآلي إلى الحد الأمثل من التوليدات الأرضية الوعائية للتقليل من الإجهاد المزروع وضمان الارتطام بالزي الرسمي، وتستكشف بعض المجموعات في الموقع الطباعة البيولوجية، حيث تنمو مباشرة في صبغة الذراع الآلي على سطح الجرح أو الجسم، وتزيل الحاجة إلى تركيبات من صنع ما قبل يجب أن تولد جراحيا، وثمة حدود أخرى تتمثل في استخدام قنوات البقاء المجهرية في الجسم.

ومن الضروري إقامة تعاون بين المستوصفين والمهندسين والعلماء التنظيميين، كما أن تشكيل اتحادات مثل المعهد الوطني للتصوير البيولوجي الطبي وبرنامج الهندسة البيولوجية للهندسة والطب الإبداعي قد عجل بالترجمة عن طريق تمويل أساليب موحدة وإجراء محاكمات متعددة المراكز. وقد أصدرت الهيئة توجيها بشأن تبسيط عملية صنع المواد الطبية.

رؤية المستقبل

والهدف النهائي هو إنتاج أجهزة مثقفة تعمل بكامل طاقتها ويمكن أن تحل محل الأعضاء المرضية دون الحاجة إلى قوائم الانتظار للمانحين، وفي حين أن القلب أو الكلية البشرية الكاملة التي يتم طبعها بثلاثة دونات لا تزال بعيدة عن السنوات، فإن التقدم التدريجي في البناءات المثقفة قد تحسن بالفعل نتائج المرضى، ومن المرجح أن نرى في الأجل القريب اعتمادا سريريا واسع النطاق لمراكز التعبئة المثقفة، ومواد العظام، وأجهزة الصنع القلب.

كما أن الطب الشخصي سيستفيد من دمج البنايات المثقفة بتقنية الاستشعار، إذ يتكون الباحثون من أجهزة استشعار صغيرة في البصمات لرصد الهيدروجيني، وتوتر الأوكسجين، والعلامات الاستفزازية في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تسترشد هذه التغذية بالعلاجات اللاحقة للزراعة، مثل معالجة الأدوية المعدلة أو إعادة التأهيل البدني، حيث أن تكنولوجيا الطباعة ذات الـ 3D تنضج وتصبح أكثر سهولة.

وفي الختام، تمثل البنايات المثقفة التي تطبع بثلاثة دداتم تحولا في الطب الشخصي، ومن خلال حل التحدي الذي طال أمده المتمثل في التعميم في الأنسجة المصممة، تتيح هذه المباني إنشاء طوابير ونماذج خاصة بالمرضى، كانت تعتبر ذات مرة خيال علمي، وسيؤدي استمرار البحث المتعدد التخصصات، إلى جانب الأطر التنظيمية المدروسة، إلى فتح كامل إمكاناتها، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى تحويل الطريقة التي نقترب بها من إصلاح الأنسجة، وتطوير المخدرات.