پژوهشگران با تکنولوژی چاپ سه بعدی زیستی، قلبی از جنس سلول های انسانی ساختند - مجله هدیه

زومیت نوشت: هفده سال پیش، دکتر توماس بولند (Thomas Boland)، پروفسور مهندسی زیستی دانشگاه کلمنسون، با اعمال تغییراتی در عملکرد یک پرینتر جوهرافشان و استفاده از ژلی حاوی سلول های زنده به عنوان جوهر، اولین اختراع را در حوزه چاپگرهای زیستی، به نام خود ثبت کرد. سه سال بعد و در سال 2007، دکتر شین یا یاماناکا پیروز شد با بازبرنامه ریزی سلول های بالغ انسانی، آن ها را به دوران جنینی بازگرداند و به این ترتیب ثابت کرد روند بلوغ سلول ها یک طرفه نیست. کشف این روش برای دستیابی به سلول های بنیادی، که قابلیت تبدیل شدن به هرنوع سلولی در بدن را دارند و به موازات آن پیشرفت های قابل توجه در حوزه تکنولوژی های پرینت سه بعدی، رویای ساخت چاپگرهای سه بعدی زیستی را طی سال های آینده به واقعیت بدل کرد.

دکتر توماس بولند و اولین چاپگر زیستی تاریخ

چاپگرهای زیستی در بیانی ساده، پرینترهای سه بعدی پیشرفته ای هستند که فیلامنت مورد استفاده در آن ها، ماده ای حاوی سلول های زنده است. این ماده که بایواینک یا جوهر زیستی نامیده می گردد باید عملکردی مشابه ماتریکس خارج سلولی (ECM) داشته باشد تا بتواند محیط مناسب جهت تغذیه، رشد و تکثیر سلول ها را ایجادکند. ماتریکس خارج سلولی، شبکه ای متشکل از پروتئین ها، کربوهیدرات ها، آب و مواد معدنی است که علاوه بر شکل دهی ارتباطات میان سلولی، که برای رشد و تقسیم سلول ها حیاتی هستند، ساختار و نحوه عملکرد هر بافت را نیز تعیین می نماید. یکی از اجزاء اصلی ماتریکس خارج سلولی، پروتئینی به نام کلاژن است که حدود یک سوم از ترکیب پروتئینی بدن را تشکیل داده و یکی از عناصر اصلی در ساختار استخوان ها، پوست، عضلات، تاندون ها و رباط ها به شمارمی رود و در رگ های خونی، قرنیه و دندان ها نیز یافت می گردد. نام این پروتئین که مانند چسبی قدرتمند اجزاء بدن را در کنار یکدیگر نگه داشته، برگرفته از واژه یونانی kólla به معنای چسب است. در تکنولوژی های پرینت سه بعدی زیستی نیز، معمولا ترکیبات کلاژن به صورت داربستی ژله ای برای حفظ ساختار بافت های پرینت شده به کار می روند.

کشف سلول های بنیادی و به موازات آن پیشرفت تکنولوژی های پرینت سه بعدی، رویای ساخت چاپگرهای سه بعدی زیستی را به واقعیت بدل کرد.

پیچیدگی ساختار و نحوه عملکرد ماتریکس خارج سلولی، یکی از موانع اساسی در جهت تحقق رویای پرینت سه بعدی ارگان های بدن، با بکارگیری سلول های بنیادی انسانی است. رویایی که تحقق آن، به معنای فراهم آمدن امکان ساخت اعضای پیوندی با استفاده از سلول های بدن شخص دریافت نماینده است، که ریسک پس زدن عضو پیوندی را به صفر می رساند. هرچند طی سال های اخیر، بعضی ارگان های دارای پیچیدگی کمتر با بکارگیری این تکنولوژی تولیدشده اند و پیوند مثانه ساخته شده با چاپگر زیستی به بدن بیمار نیز پیروزیت آمیز بوده است، اما در خصوص ارگان های پیچیده تر مانند قلب، کلیه و شش ها، تحقیقات همچنان ادامه دارد. به علاوه تبدیل ارگان طبیعی تولیدشده با این روش به اندامی واقعی، که به وسیله عروق خونی تغذیه می نماید و مبنای عملکردش پیغام های دریافتی از سیستم اعصاب بدن انسان است، فرآیندی پیچیده بوده و پیشرفت تحقیقات در این حوزه را با کندی روبرو نموده است.

اخیرا محققان مؤسسه BIOLIFE4D در شیکاگوی آمریکا، به سرپرستی دکتر راوی بیرلا (Ravi Birla)، پیروز شدند با بکارگیری تکنولوژی چاپ سه بعدی زیستی و با استفاده از سلول های بنیادیپرتوان القائی، قلب کوچکی در ابعاد یک کف دست تولیدنمایند. در زیست شناسی سلولی، سلول پرتوان به سلول بنیادی ای اطلاق می گردد که پتانسیل تبدیل شدن به یکی از سه لایه جنینی درون پوست (پوشش درونی شکم، دستگاه گوارش، ریه ها)، میان پوست (ماهیچه ها، استخوان، خون)، یا برون پوست (بافت های اپیدرمی و سیستم عصبی) را دارد. یکی از انواع این سلول های پرتوان، سلول های بنیادی پرتوان القایی (iPS یا iPSCs) هستند که به صورت مصنوعی از یک سلول غیرپرتوان (معمولا سلول بالغ موجود زنده) به دست می آیند و ویژگی ها و خصیصه هایی مشابه سلول های بنیادی جنینی (ESCs) دارند. همچنانکه پیش تر اشاره شد، دکتر شین یا یاماناکا، برای اولین بار در سال 2007 پیروز به ارائه روشی برای القای سلول های بالغ انسانی به وضعیت پرتوانی شد.

در تحقیقاتی که اخیرا به سرپرستی دکتر راوی بیرلا انجام گرفته است، ابتدا گلبول های سفید دریافت شده از فرد داوطلب، به سلول های بنیادی پرتوان القائی تبدیل می شوند و این سلول ها پس از تقسیم، سلول های بافت ماهیچه ای قلب را ایجادمی نمایند. سلول های ایجادشده بهمراه مواد مغذی و ترکیبات موردنیاز برای رشد سلولی، جوهر زیستی اختصاصی شرکت BIOLIFE4D را تشکیل می دهند. این جوهر بهمراه ماده ای شفاف که عملکردی مشابه ماتریکس خارج سلولی دارد، از نازل چاپگر زیستی خارج شده و حجمی به شکل قلب فرد داوطلب را، به صورت لایه به لایه شکل می دهد. ابعاد و شکل حجم سه بعدی ارائه شده به چاپگر زیستی، با استفاده از تصاویر MRI قلب فرد داوطلب تعیین می شوند. حجم تولیدشده سپس در یک بیورآکتور با قابلیت شبیه سازی شرایط زیستی داخل بدن انسان قرارمی گیرد تا سلول های بافت ماهیچه ای، امکان خودساماندهی و ترکیب با یکدیگر برای ایجاد بافتی یکپارچه را بیابند. پس از شکل گیری کامل قلب، ماده شفافِ شبیه سازِ ماتریکس خارج سلولی، به صورت محلول قابل جداسازی خواهدبود. حجم تولیدشده مانند قلب واقعی دارای چهار محفظه بوده و طبق ادعای شرکت BIOLIFE4D، عملنمودهای قلبی در ابعاد واقعی را نیز، تا حدی خواهدداشت. هرچند هنوز تعیین نیست که آیا این قلب امکان تپیدن در بدن فرد دریافت نماینده پیوند را نیز دارد یا خیر.