medical

Biohakkerointi ja 3D-tulostus

/ pketola / 1 kommentti

hal-gatewood-405338.jpg

Hakkeritoiminta tarkoittaa alakulttuureita, jossa eri aiheista innostuneet tavalliset ihmiset etsivät uusia, luovempia tai fiksumpia tapoja tehdä asioita. Motivaationa on usein älyllisen haasteen tai rajoitteen voittaminen. Hakkeritoiminta sai alkunsa 60-luvun MIT:ssa, jossa opiskelijat halusivat rikkoa erilaisia toiminnan esteitä, tai yksinkertaisesti tehdä jäyniä.

Hakkeritoiminta on yleistyessään organisoitunut. Organisoitumisen ilmentymiä ovat mm. yhteisölliset matalan kynnyksen Maker-tilat (maker space, hacklab) ja verkostot (Fablab -verkosto). Usein myös tilat ja verkostot itsessään ovat kokeellisia ja muokkaantuvat aktiivisesti toiminnan myötä.

Biohakkerointi yhdistää hakkerikulttuurin ja hakkerietiikan. Etiikan perusajatuksena on vastuullinen tiedon jakaminen ja toiminnan hyödyllisyys. Biohakkerointia ovat mm.

  • Tee-se-itse biologia (DIY); bioteknologian tutkimuksen sosiaalinen toiminta, jossa yksilöt ja pienet organisaatiot tutkivat biologiaa käyttäen samoja menetelmiä kuin tutkimusinstituutit.
  • Biohäkkäys (Grinder); ihmiset muuntavat kehoaan erilaisilla implanteilla ja kyberneettisillä DIY-laitteilla.
  • Lääketieteelliset itse tehdyt kokeilut. Mm. lääkkeiden valmistus.
  • Nutrigenomiikka; ravintoaineilla tehdyt ihmisbiologian kokeilut.
  • Itsemitttaus; oman kehon, biomamarkkereiden ja käyttäytymisen mittaus terveyden optimoimiseksi.

Gartner on tunnistanut tee-se-itse -biohakkeroinnin nousevana trendinä. Trendi on osa laajempaa ja yleistyvää ”trans-human” ilmiötä, johon liittyy biohäkkäys ja muut tavat muokata ihmisen toimintakykyä, kuten neuroimplantit.

Esimerkiksi biosiruilla voidaan tulevaisuudessa havaita sairauksia, kuten syöpä tai isorokko, ennen kuin oireet ilmenevät. Siruissa hyödynnetään molekyylisensoreita, joiden avulla analysoidaan biologisia elementtejä ja kemikaaleja. Uutena biohäkkäyksen mahdollisuutena ovat keinotekoiset biologiaa jäljittelevät keinotekoiset lihakset. Bioteknisten menetelmien kehittymisen myötä esimerkiksi robotille voidaan tulevaisuudessa kasvattaa painetta tunnistavaa keinoihoa.

Biohakkereiden toiminta ei ole sitoutunut organisaatioihin, tutkimuslaitoksiin tai muihin instituutioihin. Biohakkerit ovat siis merkittäviä kansalaistutkijoita (citizen science), innovaattoreita, raja-aitojen rikkojia ja uusien alueiden tutkimusmatkailijoita. Biohakkereille on tuoteistettu useita palveluita ja tuotteita, joiden avulla toiminnassa pääsee kotikonstein alkuun.

Erikoistunut biohakkeroinnin muoto ovat potilasyhdistykset, joiden jäsenet kokeilevat omaehtoisesti uusia hoitokeinoja ja vertailevat kokemuksia keskenään.

Diagnostiikkavälineiden kuluttajistuminen tehostaa tätä toimintaa. Bioteknologian keinoin monimutkaistenkin molekyylien syntetisointi voi tapahtua kotilaboratoriossa. Tämä avaa tien kohti laajoja ihmiskokeita. Potilaat voivat syntetisoida lääkkeitä itselleen ja vertaisyhteisön avulla jakaa kokemuksia.

3D-tulostus nähdään siltana, joka yhdistää Tekijöiden (Makers, Hackers) ja biohakkereiden maailmat. Erotuksena on käytettävä materiaali. Kun Tekijät hyödyntävät elotonta materiaalia, kuten muovi, biohakkerit käyttävät biomateriaaleja, kuten biomusteita ja eläviä soluja kolmiulotteisten rakenteiden tuottamiseen.

BioCurious – bioteknologian kummajaiset

Biologisen 3D-tulostuksen häkkeritoiminta alkoi BioCurious -liikkeen myötä USAssa. BioCurious perustettiin 2010 innostuneiden harrastajien ja ammattitutkijoiden tarpeisiin, joilla ei ollut pääsyä suurten tutkimuslaitosten biolaboratorioihin ja bioteknologiaan.  Maailman ensimmäinen luovuuteen ja avoimuuteen perustuva bioteknologian hackerspace avattiin piilaaksossa onnistuneen Kickstarter-kampanjan, ihmisten vapaaehtoisen työpanoksen ja lukuisten lahjoitusten myötä.

Toiminta siirtyi autotallista kunnon laboratorioympäristöön ja tarjoaa nykyisin voittoa tavoittelemattomana toimintana teknologioita, materiaaleja, koulutusta ja työympäristön jäsenilleen. 100$:n jäsenmaksua vastaan kuka tahansa voi testata uusia bioteknologian yritysideoita, toteuttaa kokeilevia bioteknologiaprojekteja, sekä tutkia esimerkiksi uusia tapoja syövän havaitsemiseksi.

Twitter: @bioCuriouslab

BioCurious ja biotulostus

BioCurious oli ensimmäinen ryhmä, joka onnistui kehittämään tee-se-itse 3D biotulostimen. Kehitys alkoi 2012, jolloin toimijat etsivät tapoja laajentaa yhteisöä ja kasvattaa toiminnan monialaisuutta. Alkuvaiheessa tavoitteena ei ollut erityisesti mikään tietty biotulostuksen sovellus, eikä edes tietoa, kuinka 3D-tulostin rakennetaan. Ratkaisut löytyivät kuitenkin suhteellisen helposti:

“You can just take a commercial inkjet printer. Take the inkjet cartridges and cut off the top essentially. Empty out the ink and put something else in there. Now you can start printing with that.”

BioCurious -ryhmä aloitti tulostuksen hyödyntäen kahvinkeittimen suodattimia ja vaihtaen musteen arabinoosiin (sokeri). Suodatin asetettiin geneettisesti muokatun E. coli bakteeriviljelmän päälle, jonka ominaisuutena on tuottaa vihreää fluoresoivaa proteiinia, kun sen reagoi arabinoosin kanssa. Kun laite tulosti arabinoosia suodattimen päälle, solut alkoivat hohtaa.

Koska kaupallisen tulostimen muuntaminen biotulostimeksi osoittautui työlääksi, ryhmä kehitti oman biotulostimen. Uusi versio hyödyntää CD-soittimista purettuja moottoreita, mustetulostimen mustepatruunoita tulostinpäänä ja Arduinoa. Tee-se-itse 3D-tulostimen hinnaksi muodostui n. 150$. Rakennusohje löytyy täältä.

Vasemmalla: 3D-tulostettu fluoresoiva E. coli pinta, toteutettu itsetehdyllä biotulostimella.  Oikealla: Biotulostin. Lähde: makezine.com

Kaksiulotteisesta 3D-tulostukseen

Ensimmäinen laite onnistui tulostamaan biomustetta 2D-muodossa (yhteen kerrokseen). Kolmiulotteisuuden saavuttaminen osoittautui nykyisellä tekniikalla mahdottomaksi. Alustaksi vaihdettin RepRapin avoimen lähdekoodin 3D-tulostin. Muovien 3D-tulostuspäät vaihdettiin muovituubeihin, joihin pumput ohjasivat biomustetta ja 3D-tulostus saatiin onnistumaan.

Seuraava ratkaistava haaste liittyy biomusteen tasalaatuisuuteen, sekä solujen elossapysymiseen. Riittävän tulostuslaadun tuottamiseksi juokseva biomuste on muutettava geelimäiseksi materiaaliksi, jolla on hyvä viskositeetti.

Työn myötä 3D-biotulostuksen kehittäjien yhteisö kasvaaa, kehitystä tehdään kodeissa ja hackerspaceissa (mm. BioCurious BUGSS, Hackteria) ja tietoa edistysaskeleista jaetaan akiivisesti yhteisön sisällä.

3D-biotulostus ja elävät solut

3D-biotulostuksen yleisenä visiona on tuottaa toimivia elimiä. Tavoite on erittäin haastava, erityisesti kun puhutaan ihmisen ja yleisemmin nisäkkäiden elimistä. Biotulostushakkereiden ensimmäinen kehitystavoite on hiukan helpompi: toimivan ja yhteyttävän kasvisolukon tuottaminen 3D-biotulostuksella, keinotekoinen kasvin lehti.

Kasvisolujen 3D-biotulostus on sopiva haaste tee-se-itse biohakkereille, koska aihetta ei ole kovin paljon tutkittu ja aihe tarjoaa lukuisia uusia tutkimuspolkuja. Kysymyksiä ovat mm. millaisia soluja kannattaa käyttää, kuinka solut saadaan liittymään toisiinsa ja millainen on keinotekoisen lehden solujen rakenne. Useat tutkijat ovat käynnistäneet ammattimaisen tutkimustoiminnan BioCurious -ryhmän tulosten perusteella.

Biohäkkerit, 3D-tulostus ja lääkkeet

Biohäkkerit hyödyntävät 3D-tulostusta monin tavoin. Tarvikkeita ja työkaluja valmistetaan perinteisellä 3D-tulostuksella eri materiaaleista. Varsinaisia biotulostimia kehitetään biologisten rakenteiden tuottamiseksi. Lääkkeitä kehittävät biohakkerit ovat myös ottaneet menetelmän haltuunsa lääkkeitä syntetisoivien laitteiden kehittämiseksi.

Four Thieves Vinegar Collective kehittää menetelmiä, joilla ihmiset voivat syntetisoida lääkkeitä itse. Visiona on lääkkeiden vapaa saatavuus: Free Medicine for Everyone.

Ryhmä on kehittänyt pienikokoisen Apothecary MicroLab -reaktorin, joka toimii samoin kuin lääketehtaiden kalliit laitteet. Edullinen laite on valmistettu valmisosista, sekä 3D-tulostetuista komponenteista. Reaktiokammiossa on suuremman kammion sisällä pienempi säiliö. Materiaalit virtaavat kammioiden välillä erityisrakenteisen 3D-tulostetun kannen kautta. 3D-tulostuksella on valmistettu myös askelmoottori, ruiskupumppu ja muita komponentteja. Laite toimii automaattisesti.

MicroLab syntetisoi edullisista kemikaaleista lääkeaineita. Tähän mennessä on onnistuttu tuottamaan viisi lääkettä: Naloxone (opiaattien yliannostuksen estäminen), Daraprim (HIV -sairaiden infektioiden hoito), Cabotegravir (HIV lääke) ja lääketieteellisessä abortissa käytettävät mifepristone ja misoprostol. Yhden lääkkeen resepti on jo ladattavissa Internetistä.

Aiheeseen liittyvä kuva

Lähde: http://www.engineering.com

Biohakkeritoiminnan suurena mahdollisuutena on lääkkeiden digitalisaatio. Kun lääkkeen valmistuksen prosessi on digitalisoitu ja prosessi on tarjolla avoimen lähdekoodin idealla, se on luotettavasti toistettavissa lääketehtaista riippumatta. Prosessin ja reseptien turvallisuus ja aitous voidaan varmentaa esimerkiksi lohkoketjuilla.

Ketkä kehittävät 3D-biotulostusta?

BioCurious aloitti ensimmäisenä 3D-biotulostuksen DIY-toiminnan. Nyt asian parissa toimii useita hakkeriyhteisöjä. Biotulostuksen tiimoilta on käynniss myös organisoitu verkostominen eri toimijoiden välillä 3DHeals -projektissa. Seuraavassa muutamia 3D-biotulostuksen häkkeritoimijoita.

BUGSS — Baltimore

Baltimore Underground Science Space (BUGSS) kehittää 3DP.BIO alustaa. Sen tavoitteena on yhdistää insinöörit, tutkijat ja suunnittelijat biotutkimuksen ja -kehityksen vauhdittamiseksi. BUGSS keskittyy resiinitulostimien (resiini = hartsi) ja näissä käytettävien bioyhteensopivien materiaalien kehitykseen. Näillä voidaan tulostaan solujen kasvualustoja.

Twitter: @BUGSSlab

London Biohackspace

Lontoon biohakkerit ovat kehittäneet JuicyPrint -bakteeritulostimen. Laite hyödyntää Gluconacetobacter hansenii -bakteeria, joka kasvaa mm. hedelmän mehussa. Bakteeri tuottaa vahvan ja monipuolisen kerroksen biopolymeeria,  bakteeriselluloosaa. Bakteeria on geneettisesti muokattu siten, että selluloosaa ei synny valossa. 3D-biotulosteella tuotettavaa rakennetta ja muotoa voidaan siis ohjata säätelemällä valoa.

Twitter: @LondonBioHack

Pelling Lab

Pelling Lab kehittää menetelmiä, joissa ihoa ja elimiä voidaan kasvattaa hyödyntämällä olemassaolevia rakenteita solukkojen muotteina ja tukirakenteina. 3D-tulostusmateriaalina hyödynnetään mm. hydrogeeliä.

Sian korvan 3D-tulostusta Pelling Labissa. Lähde: https://makezine.com

Twitter: @pellinglab

Counter Culture Labs

Counter Culture Lab, Oakland, kehittää menetelmiä, joissa biomateriaali tuotetaan olemassaolevan elimen, kuten sydämen, sisälle. Alkuperäisestä elimestä, joka on tyypillisesti saatu kuolleelta eläimeltä, poistetaan kaikki elävät solut. Jäljelle jätetään vain tukirakenteet. Rakenteiden sisälle kasvatetaan sen jälkeen halutut solut.

Twitter: @CountrCultrLabs

Biohakkeroinnin haasteita

Erilaiset itsetehdyt biologiset kokeilut lisääntyvät nopeasti. Kokeilijoina ovat mm. terveysentusiastit, biohakkerit, kroonisista sairauksista kärsivät potilaat ja potilasyhdistykset.

Toiminnassa tuotetaan ja jaetaan pyyteettömästi mm. henkilökohtaista, biologista, teknistä ja lääketieteellistä tietoa. Tiedon jakamiseen liittyy mm. tietoturvaan, provokaatioon, tiedon oikeellisuuteen ja tiedon saatavuuteen liittyviä haasteita. Voiko esimerkiksi biohakkereiden tuloksia hakkeroida ja väärinkäyttää?

Kun ihmisen tai kasvien biologiaan ja toimivuuteen tehdään merkittäviä muutoksia, lähestytään skenaarioita, jotka ovat tuttuja tieteiskirjallisuudesta. Skenaariot voivat olla sekä positiivisia tai väärinkäytettyinä negatiivisia. Jos ihminen aiheuttaa itselleen merkittävän vamman esimerkiksi itse kehitetyn lääkkeen vaikutuksesta, missä kulkevat hoitovastuun rajat?

Biohacking Suomessa

Suomessa toimii biohäkkerointikeskus BCF, jonka tavoitteena on ihmisen hyvinvoinnin lisääminen.

Biohäkkerit verkostoituvat aktiivisesti kansainvälisesti ja jakavat tietoa avoimuuden periaattella tutkimusryhmien välillä. Mm.  Biohacker Summit 2019, (1-2.11, Helsinki) kokoaa alan toimijoita yhteen.

Lähteitä

Onko sinulla kommenteja artikkelista tai biohakkerointiin liittyvää lisätietoa? Lähetä viesti: pketola @ gmail.com.

Pekka Ketola, 1.5.2019

 

Human spare parts, digitality and 3D printing

/ pketola / Jätä kommentti

by Pekka Ketola (ideascout.fi) & Pauli Kuosmanen (digile.fi)

This blog was originally published March 13th 2015 in Digile activityblog.

This blog is available also in Finnish. Tämä blogi on luettavissa myös suomeksi.

The report of the Future Committee of the Finnish Parliament, “A Hundred New Opportunities for Finland“, introduces a large number of things that will affect health care in the form of virtualization, data processing and local manufacturing. These include:

  • open data, big data and self-organizing data
  • easy imaging of objects and computationally created images
  • freely organized remote work and organizations formed online, as well as
  • 3D printing.

This blog post will take a look at how development paths like these may affect the future of health care.

1. More knowledge – more suffering?

Online data banks, automatized data collection and data analysis enable applications that have never been possible before. Data is collected automatically every minute, and theoretically every little piece of data is connected to a larger whole. Data may then be utilized creatively for prediction, understanding complex processes and offering alternatives, for example.

Google in particular has amazed us with the multitude of ways in which data can be collected, analyzed and utilized in surprising ways. An example of this is analyzing Google search data to predict global influenza epidemics. In addition to being able to make global predictions based on the data, the same big data can be used for targeted purposes, such as user-specific advertising and finding personalized solutions. Perhaps in the future, the computer can warn you that you’re going to catch a flu next week. At the same time, you receive cheap offers for tissues and targeted drugs and a recommendation to postpone your holiday trip.

2. Smile – you’re on camera!

A human gets imaged at several stages during their life. The first pictures are taken during pregnancy at a maternity clinic. During childhood and after accidents, x-rays are used to map things like bones and teeth. Bodies are x-rayed at airport security checks. Detailed models of internal organs are created during various treatment procedures, such as computer tomography. There is already a small image library of each one of us.

The human image library is incomplete and fragmented into different data systems, but each image includes exact identification data about the person. If paleontologists are able to figure out the remaining parts of a dinosaur based on a femur, how much can we make out of a human’s exact structure based on the existing images and other data?

Would it be possible to start building a personal data bank of each person systematically, and could this be useful? Who could manage and utilize such a bank? Soldiers, for example, could be imaged and the images stored in a data bank so that limbs and bones lost in battle can be reconstructed, if necessary.

3. Biobanks & crowdsourcing

There are four licensed biobanks in Finland. Biobanks collect samples and data for future research and development projects. Any human data, such as x-rays, medical histories and genetic data may be stored in the same database.

A biobank, i.e. a database, will not create a complete image of a person. How can this incomplete data be utilized in an acute treatment situation, for example? The answer may lie in big data. A person’s own biobank will provide some of the required data. The missing data may be produced by analyzing similar situations and persons based on global data, and obviously data about close relatives.

It would be good to collect biobank data throughout a human’s lifespan. Long-term data produces scientific understanding of things like the growth of bones. The data may also be utilized, for instance, by being able to produce the right kind of 3D-printed prosthesis for a teenager who has lost their arm at regular intervals as they grow up. A similar concept is already being used to produce extracorporeal supporting structures.

If developed correctly, biobanks are the currency of the future. By utilizing data stored in them, we can save money in health care costs, predict treatment needs and develop new services.

4. Biodata is raw material for 3D printing

3D printing is based on 3D models. Models are created with computer assistance by hand, by imaging existing things, by customizing existing models or by automatically generating a model based on given criteria.

Automated design, image interpretation and computationally created images are already used in movies and video games, for example. Current artificial intelligence software is able to independently create algorithms, music and images. This type of software will probably be able to model an entire human, if given the femur as a starting point.

Several CAD modeling software already have built-in features that optimize a three-dimensional model for 3D printing. These software are also able to independently produce optimized shapes that conform to given design criteria regarding things like the amount, density or durability of the material. Biobanks contain digital data that can be converted into things like 3D models using the ideas described above. In other words, biobanks may be connected to printing quite directly.

Researchers are currently busy trying to find out what human organs can be produced by 3D printing. Bioprinting has already been used to produce heart valves, liver tissue, bone, kidneys, muscle cells and skin. In the future, biobanks will practically allow the production of human spare parts.

5. Conclusion

Medical applications are one of the greatest potentials for business related to 3D printing. Bone and tooth implants are already routinely produced by the 3D printing of titanium and ceramics. Gradually and inevitably, bioprinting will move from research labs to practice and ever deeper under the skin!

It would make sense to start a systematic and national collection of biodata by using existing methods, combining data from different sources and building an architecture that allows medical production of human spare parts in the future. As a technology, the routine printing of human muscles and organs is still a dream that is many years away, but we can start preparing for it already by collecting a unique database about our people. Combining genetic and other biobank data to the bank described here will create an enormous amount of new possibilities. The necessary know-how, whether it’s data processing, imaging or research into human spare parts, is something we have already.

Finland has great opportunities to become a leading country in biobanks and bioprinting.