پیشرفتی تازه درزمینه چاپ زیستی اعضای بدن 

مهندسان زیستی در مسیر چاپ سه‌بعدی اندام‌های جایگزین با توسعه‌ی یک تکنیک پیشرفته برای چاپ زیستی اعضای بدن، از مانعی بزرگ عبور کردند. این نوآوری جدید به دانشمندان امکان می‌دهد تا شبکه‌های درهم‌تنیده‌ای را با ظرافت ایجاد کنند که تقلیدی از مجاری طبیعی عبور خون، هوا، لنف و دیگر مایعات حیاتی هستند. این پژوهش که روی جلد شماره‌ی این هفته‌ی مجله‌ی Science منتشر شد، طرحی را توصیف می‌کند که شامل یک مدل هیدروژلی خیره‌کننده از کیسه‌های هوایی شبیه کسیه‌های هوایی ریه است که در آن، مجاری هوایی اکسیژن را به عروق خونی اطراف می‌رسانند. همچنین نتایج آزمایش‌هایی در زمینه پبوند ساختارهای چاپ‌شده حاوی سلول‌های کبد به موش‌ها گزارش شد. این کار تحت هدایت جوردن میلر از دانشگاه رایس و کلی استیونز از دانشگاه واشنگتن انجام شد و ۱۵ پژوهشگر دیگر از مراکز علمی مختلف نیز در آن مشارکت داشتند. میلر می‌گوید:

یکی از بزرگ‌ترین موانع بر سر راه تولید بافت‌های عملکردی جایگزین‌، ناتوانی ما برای چاپ بافت‌های عروقی است که بتوانند مواد مغذی را به بافت‌های پرازدحام و متراکم برسانند. علاوه‌بر‌این، اعضای بدن ما دارای شبکه‌های عروقی مستقلی هستند، مانند مجاری هوایی و عروق خونی ریه یا مجاری صفراوی و عروق خونی موجود در کبد. این شبکه‌ها به‌شدت درهم‌تنیده بوده و معماری آن‌ها متناسب با عمکرد بافت است. نمونه‌ی ما اولین تکنولوژی چاپ زیستی است که به‌صورت مستقیم و جامع به چالش بافت‌های عروقی چندگانه می‌پردازد.

استیونز، پژوهشگر دیگر این مطالعه با اشاره به این موضوع که بافت و عملکرد اغلب دست به دست هم می‌دهند، می‌گوید:

یک نسل است که مهندسی بافت به‌دنبال یافتن راه‌حلی برای این مسئله است. اکنون و با انجام این کار می‌توانیم از خود بپرسیم اگر ما بتوانیم بافت‌هایی را چاپ کنیم که از نظر ساختار و حتی تنفس مانند بافت‌های سالم موجود در بدن باشند، آیا آن‌ها ازلحاظ عملکرد هم نظیر آن بافت‌ها رفتار خواهند کرد؟ این سؤال مهمی است؛ زیرا چگونگی عملکرد یک بافت چاپ‌شده روی موفقیت آن به‌عنوان یک روش درمانی تاثیر می‌گذارد.

هدف از چاپ اعضای سالم و عملکردی، عمدتا پیوند اعضا است. بیش از ۱۰۰هزار نفر فقط در آمریکا در فهرست انتظار پیوند عضو هستند و افرادی که درنهایت اعضای اهدایی دریافت می‌کنند، برای پیشگیری از رد پیوند، باید یک عمر داروهای سرکوب‌کننده‌ی سیستم ایمنی مصرف کنند. چاپ زیستی طی دهه‌ی گذشته توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است زیرا ازنظر تئوری این تکنیک می‌تواند به هر دو مشکل بپردازد و به پزشکان اجازه دهد که اعضای جایگزین را با استفاده از سلول‌های خود بیمار چاپ کنند. میلر می‌گوید:

رویای ما این است که چاپ زیستی طی دو دهه‌ی آینده به یک مولفه‌ی مهم پزشکی تبدیل شود.

استیونز نیز در این‌باره توضیح می‌دهد که:

چاپ زیستی کبد جالب است زیرا این عضو از بدن حدود ۵۰۰ عملکرد دارد و ازنظر تنوع عملکرد پس از مغز قرار دارد. به‌علت پیچیدگی کبد در حال حاضر هیچ دستگاه یا درمانی وجود ندارد که وقتی این عضو دچار نارسایی می‌شود، جایگزین تمام عملکردهایی آن شود. چاپ زیستی اعضای بدن انسان ممکن است روزی این هدف درمانی را برآورده سازد.

پژوهشگران برای پرداختن به این چالش، یک تکنولوژی متن‌باز چاپ زیستی جدید را با نام دستگاه استریولیتوگرافی مهندسی بافت یا اسلت (SLATE) طراحی کردند. این سیستم برای ساخت هیدروژل‌های نرم از روش تولید افزایشی و ایجاد یک لایه در هر زمان استفاده می‌کند. لایه‌ها با استفاده از یک محلول پیش‌هیدروژلی مایع چاپ می‌شوند که وقتی در معرض نور آبی قرار می‌گیرد، تبدیل به جامد می‌شوند.

یک پروژکتور دیجیتالی پردازش‌کننده نور نیز نوری را از سمت پایین می‌تاباند و قطعات دو بعدی متوالی ساختار را با وضوح بالایی و با اندازه پیکسل ۱۰ تا ۵۰ میکرون به نمایش می‌گذارد. وقتی هر لایه جامد می‌شود، بازویی که در سمت بالا قرار گرفته است، ژل سه‌بعدی در حال رشد را به‌اندازه‌ی کافی بالا می‌برد تا فضا برای ایجاد لایه‌ی بعدی مهیا شود. کار مهم پژوهشگران در این زمینه، افزودن یک‌سری رنگ‌های غذایی بود که نور آبی را جذب می‌کنند. این جاذب‌های نوری موجب می‌شوند جامد شدن ساختار به یک لایه‌ی بسیار نازک محدود شود. به این ترتیب، سیستم می‌تواند طی چند دقیقه ژل‌های سازگار با محیط زیست مبتنی بر آب و نرمی با معماری پیچیده‌ی داخلی ایجاد کند.

^{چاپ زیستی مدلی از کیسه‌های هوایی که دارای مجاری هوایی و عروق خونی هستند و بدون برقراری تماس قادر هستند اکسیژن را به سلول‌های قرمز خون برسانند}

آزمایش این ساختار شبه‌ریه نشان داده است که بافت به آن اندازه استحکام دارد که در جریان حرکت خون و تنفس ضربان‌دار منفجر نشود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سلول‌های قرمز خون می‌توانند وقتی در شبکه‌ی عروق خونی اطراف کیسه هوای در حال تنفس جریان می‌یابند، اکسیژن را بردارند. حرکت اکسیژن نظیر تبادل گازی است که در کیسه‌های هوایی ریه رخ می‌دهد. جسیکا روزنکرانتز، یکی از پژوهشگران این مطالعه از شرکت طراحی سیستم عصبی گفت:

وقتی شرکت سیستم عصبی را تأسیس کردیم، هدف ما طراحی محصولاتی جدید با استفاده از الگوریتم‌هایی موجود در طبیعت بود. ما هرگز تصور نمی‌کردیم که فرصت معکوس کردن این کار و طراحی بافت‌های زنده را داشته باشیم.

در آزمایش‌ها پیوند برای درمان بیماری کبد، پژوهشگران بافت‌های چاپ سه‌بعدی را با سلول‌های اولیه‌ی کبد بارگذاری کردند و سپس این بافت‌ها را که دارای اجزای جداگانه‌ای برای رگ‌های خونی و سلول‌های کبد بودند، به موش‌های مبتلا به آسیب مزمن کبدی پیوند زدند. این سلول‌های پیوندی در بدن موش‌ها زنده ماندند. سیستم چاپ زیستی جدید قادر به ایجاد خصوصیات درون عروقی مانند دریچه‌های دو لختی نیز است. این دریچه‌ها امکان حرکت مایع را تنها در یک جهت فراهم می‌کنند. در انسان، دریچه‌های داخل عروقی در قلب، سیاهرگ‌های پا و شبکه‌های مکملی نظیر سیستم لنفاوی که دارای پمپی برای به جریان انداختن مایع نیستند، دیده می‌شود. میلر می‌گوید:

ما با افزودن ساختار عروقی چندگانه و ویژگی‌های درون عروقی درحال معرفی مجموعه‌ای گسترده از آزادی‌های طراحی برای مهندسی بافت‌های زنده هستیم. اکنون ما آزادی ساخت بسیاری از ساختارهای پیچیده‌ی درون بدن را داریم.

میلر و گریگوریان، پژوهشگر دیگر این مطالعه، در حال تجاری‌سازی جنبه‌های کلیدی پژوهش ازطریق استارتاپی به‌نام ولومتریک هستند. این شرکت که گریگوریان در آن مشغول به کار است، به طراحی و تولید چاپگرها و جوهرهای زیستی مشغول است. میلر توضیح می‌دهد که تمام داده‌های منبع حاصل از آزمایش که در مجله‌ی Science منتشر شده است، آزادانه در دسترس پژوهشگران قرار دارد. علاوه‌بر‌این، تمام فایل‌های قابل چاپ سه‌بعدی مورد نیاز برای ساخت دستگاه چاپ استریولیتوگرافی و نیز فایل‌های طراحی برای چاپ هر کدام از هیدروژل‌های مورد استفاده در مطالعه نیز موجود است. او می‌گوید:

تهیه‌ی فایل‌های طراحی هیدروژل به دیگران این امکان را خواهد داد که تلاش‌های ما را مورد اکتشاف قرار دهند، حتی اگر آن‌ها بعدها از تکنولوژی چاپ سه‌بعدی دیگری استفاده کنند که هنوز ابداع نشده است.

آزمایشگاه او در حال استفاده از طرح و تکنیک‌های چاپ زیستی جدیدی برای بررسی امکان طراحی ساختارهای پیچیده‌تر است. به‌گفته‌ی او:

ما در آغاز کشف معماری‌های موجود در بدن انسان هستیم و هنوز چیزهایی زیادی برای آموختن وجود دارد.