چاپ سه بعدی قلب انسان - ورزش من و تو

تیمی از محققان دانشگاه کارنگی ملون مقاله ای را در مجله ساینس منتشر نموده اند که جزئیات تازهی از یک تکنیک تازه را در اختیار قرار می دهد که هر فرد بتواند داربستهای بافتی را از کلاژن ، پروتئین اصلی ساختاری در بدن انسان ، چاپ زیستی سه بعدی بزند. این روشِ در نوع خود اول، رشته مهندسی بافت را یک قدم به آن نزدیکتر می نماید تا بتوانید به صورت سه بعدی قلب انسان بالغ و بزرگ را چاپ کنید.

این تکنیک ، که به عنوان جاسازی برگشت پذیر شکل آزاد هیدروژل های معلق (FRESH) شناخته می گردد ، به محققان اجازه داده است تا بر بسیاری از چالش های مرتبط با روش های موجود در چاپ زیستی سه بعدی غلبه نمایند ، و با استفاده از مواد نرم و زنده به وضوح و وفاداری بی سابقه ای دست پیدا نمایند.

هر یک از اعضا در بدن انسان ، مانند قلب ، از سلول های تخصصی ساخته شده است که از طریق یک داربست بیولوژیکی به نام ماتریکس خارج سلولی (ECM) در کنار هم قرار می گیرند. این شبکه از پروتئین های ECM ساختار و سیگنال های بیوشیمیایی را که سلول ها برای انجام عملکرد طبیعی خود احتیاج دارند ، فراهم می نماید. با این حال ، تا به امروز بازسازی این معماری پیچیده ECM با استفاده از روش های سنتی فراوری بیولوژی امکان پذیر نبوده است.

آدام فاینبرگ ، استاد مهندسی زیست پزشکی (BME) و علوم و مهندسی مواد در کارنگی ملون که آزمایشگاهش این کار را انجام داده است ، می گوید: آنچه ما نشان داده ایم این است که می توانیم قطعات قلب را از سلولها و کلاژن به قسمتهایی که واقعاً عملکرد دارند مانند یک دریچه قلب یا یک بطن تپنده کوچک چاپ کنیم. با استفاده از داده های MRI از قلب انسان ، ما توانستیم دقیقاً ساختار آناتومیک اختصاصی بیمار و کلاژن پرینت زیستی سه بعدی و سلول های قلب انسان را بازفراوری کنیم.

بیش از 4000 بیمار در ایالات متحده منتظر پیوند قلب هستند ، در حالی که میلیون ها نفر دیگر در سراسر دنیا به قلب احتیاج دارند اما برای فهرست انتظار صلاحیت ندارند. احتیاج به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، روینمودهای تازهی ضروری است. فاینبرگ که عضوی از مؤسسه پیش قدمی اندام های مهندسیِ زیستی شده کارینگ ملون است ، در حال کار برای حل این چالش ها با نسل تازهی از اندام های مهندسی زیستی شده است که به گونه ای نزدیکتر ساختارهای اندام طبیعی را تکرار نمایند.

اندرو هادسون ، دانشجوی دکتری BME در آزمایشگاه فاینبرگ و نویسنده اول همکار در تألیف مقاله، شرح می دهد: کلاژن یک ماده بیولوژیکی به شدت مطلوب برای چاپ سه بعدی از طریق آن است زیرا به معنای واقعی کلمه هر بافت منفرد بدنتان را تشکیل می دهد. لکن آنچه که چاپ سه بعدی را چنین سخت می نماید این است که به صورت یک سیال آغاز می گردد - بنابراین اگر سعی کنید این را در هوا چاپ کنید ، این فقط یک گودال بر روی سکوی ساخت شما شکل می دهد. بنابراین ما تکنیکی را ایجاد نموده ایم که مانع از این از تغییر شکل می گردد.

روش چاپ زیستی سه بعدیFRESH که در آزمایشگاه فاینبرگ ایجاد شده است ، به کلاژن اجازه می دهد تا لایه به لایه در یک حمام پشتیبانی از ژل ته نشست گردد و به کلاژن فرصتی برای جامد شدن در محل قبل از خارج شدن از حمام پشتیبانی می دهد. با استفاده از FRESH ، ژل پشتیبانی را می توان با گرم کردن ژل از دمای اتاق تا دمای بدن پس از اتمام چاپ ، به راحتی ذوب و دور کرد. به این ترتیب محققان می توانند ژل پشتیبانی را بدون آسیب رساندن به ساختار چاپی ساخته شده از کلاژن یا سلول ها مرتفع نمایند.

این روش برای رشته چاپ زیستی سه بعدی واقعا هیجان انگیز است زیرا باعث می گردد داربست های کلاژن در مقیاس وسیعی از اندام های انسانی چاپ شوند. و این فقط به کلاژن محدود نمی گردد ، زیرا طیف گسترده ای از ژل های نرم دیگر از جمله فیبرین ، آلژینات و اسید هیالورونیک با استفاده از تکنیک FRESH می توانند به صورت سه بعدی چاپ زیستی شوند و یک پلت فرم مهندسی بافت قوی و سازگار را فراهم آورند. احتیاج به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، روینمودهای تازهی ضروری است. نکته مهم این است که محققان بعلاوه نقشه هایی با منبع آزاد طراحی نموده اند تا تقریباً هر کسی ، از آزمایشگاه های پزشکی گرفته تا کلاس های علوم دبیرستان ، بتواند به چاپگرهای زیستی مقرون به صرفه قیمت دارای کارایی بالا دسترسی داشته باشد.

با نگاه به جلو ، FRESH در بسیاری از جنبه های پزشکی احیا نماینده کاربرد دارد ، از ترمیم زخم گرفته تا مهندسی زیستی اندام ، اما این تنها یک قطعه از یک زمینه فراوری زیستی رو به رشد است. فاینبرگ می گوید: واقعاً چیزی که ما در خصوص آن صحبت می کنیم همگرایی فناوری ها است. نه تنها آنچه آزمایشگاه من در زمینه چاپ زیستی انجام می دهد ، بلکه بعلاوه از سایر آزمایشگاه ها و شرکت های کوچک در زمینه علوم سلول های بنیادی ، یادگیری ماشین و شبیه سازی رایانه ای و بعلاوه سخت افزار و نرم افزار تازه چاپ زیستی سه بعدی.

فاینبرگ می افزاید: درک این نکته مهم است که هنوز سالها تحقیق ضروری است در این زمینه انجام گردد ، اما همچنان باید این هیجان وجود داشته باشد که ما در حال پیشرفت واقعی در زمینه مهندسی بافت ها و اندام های عملکردی انسانی هستیم و این مقاله یک مرحله در امتداد این راستا است.

منبع: دانشکده فنی ، دانشگاه کارنگی ملون