قلبی از‌جنس سلول‌های انسانی با تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی

قلبی از‌جنس سلول‌های انسانی با تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی

قلبی از‌جنس سلول‌های انسانی با تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی

قلبی از‌جنس سلول‌های انسانی با تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی

محققان موفق ‌گردیدند با بکارگیری تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی و سلول‌های بنیادی به‌دست آمده از گلبول‌های سفید خون، قلبی در ابعاد یک کف دست تولید کنند.

هفده سال پیش، دکتر توماس بولند (Thomas Boland)، پروفسور مهندسی‌زیستی دانشگاه کلمنسون، با اعمال تغییراتی در عملکرد یک پرینتر جوهر‌افشان و استفاده از ژلی حاوی سلول‌های زنده به ‌عنوان جوهر، اولین اختراع را در حوزه چاپگرهای زیستی، به‌ نام خود ثبت‌ کرد. سه سال بعد و در سال ۲۰۰۷، دکتر شین‌یا یاماناکا موفق گردید با بازبرنامه‌ریزی سلول‌های بالغ انسانی، آن‌ها را به دوران جنینی بازگرداند و به‌ این‌ترتیب ثابت‌ کرد روند بلوغ سلول‌ها یک‌طرفه نیست. کشف این روش برای دستیابی به سلول‌های بنیادی، که قابلیت تبدیل‌گردیدن به هر نوع سلولی در بدن را دارند و به موازات آن پیشرفت‌های قابل ‌توجه در حوزه‌ی تکنولوژی‌های پرینت سه‌بعدی، رویای ساخت چاپگرهای سه‌بعدی زیستی را طی سال‌های آتی به واقعیت بدل‌ کرد.

چاپگرهای زیستی در بیانی ساده، پرینترهای سه‌بعدی پیشرفته‌ای هستند که فیلامنت مورد استفاده در آن‌ها، ماده‌ای حاوی سلول‌های زنده است. این ماده که بایواینک یا جوهر زیستی نام دارند باید عملکردی مشابه ماتریکس خارج سلولی (ECM) داشته‌ باشد تا بتواند محیط مناسب جهت تغذیه، رشد و تکثیر سلول‌ها را ایجاد کند. ماتریکس خارج سلولی، شبکه‌ای متشکل از پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، آب و مواد معدنی است که علاوه‌بر شکل‌دهی ارتباطات میان سلولی، که برای رشد و تقسیم سلول‌ها حیاتی هستند، ساختار و نحوه‌ی عملکرد هر بافت‌ را نیز تعیین ‌می‌کند. یکی از اجزاء اصلی ماتریکس خارج سلولی، پروتئینی به‌ نام کلاژن است که حدود یک‌سوم از ترکیب پروتئینی بدن را تشکیل‌ داده و یکی از عناصر اصلی در ساختار استخوان‌ها، پوست، عضلات، تاندون‌ها و رباط‌ها به‌شمار‌ می‌رود و در رگ‌های خونی، قرنیه و دندان‌ها نیز مشاهده می‌گردند. نام این پروتئین که مانند چسبی قدرتمند اجزاء بدن را در کنار یکدیگر نگه‌ داشته، برگرفته از واژه یونانی «kólla» به‌معنای «چسب» است. در تکنولوژی‌های پرینت سه‌بعدی زیستی نیز، معمولا ترکیبات کلاژن به‌صورت داربستی ژله‌ای برای حفظ ساختار بافت‌های پرینت‌ گردیده به‌کار می‌روند.

پیچیدگی ساختار و نحوه‌ی عملکرد ماتریکس خارج سلولی، یکی از موانع اساسی در مسیر تحقق رویای پرینت سه‌بعدی ارگان‌های بدن، با بکارگیری سلول‌های بنیادی انسانی است. رویایی که تحقق آن، به‌معنای فراهم ‌آمدن امکان ساخت اعضای پیوندی با استفاده از سلول‌های بدن شخص دریافت‌کننده است، که ریسک پس‌زدن عضو پیوندی را به صفر می‌رساند. هرچند طی سال‌های اخیر، برخی ارگان‌های دارای پیچیدگی کمتر با بکارگیری این تکنولوژی تولید گردیده‌اند و پیوند مثانه‌ی ساخته‌شده با چاپگر زیستی به بدن بیمار نیز موفقیت‌آمیز بوده‌است، اما در مورد ارگان‌های پیچیده‌تر مانند قلب، کلیه و شش‌ها، تحقیقات همچنان ادامه دارد. به‌علاوه تبدیل ارگان طبیعی تولید‌گردیده با ‌این روش به اندامی واقعی، که از طریق عروق خونی تغذیه ‌می‌کند و مبنای عملکردش پیام‌های دریافتی از سیستم اعصاب بدن انسان است، فرآیندی پیچیده بوده و پیشرفت تحقیقات در این حوزه را با کندی مواجه‌ کرده‌است.

اخیراً محققان مؤسسه BIOLIFE4D در شیکاگوی آمریکا، به سرپرستی دکتر راوی بیرلا (Ravi Birla)، موفق ‌گشتند با بکارگیری تکنولوژی چاپ سه‌بعدی زیستی و با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان القائی، قلب کوچکی در ابعاد یک کف دست تولید کنند. در زیست‌شناسی سلولی، سلول پرتوان به سلول بنیادی‌ اطلاق‌ می‌گردد که پتانسیل تبدیل‌گردیدن به یکی از سه لایه‌ی جنینی درون‌پوست (پوشش درونی شکم، دستگاه گوارش، ریه‌ها)، میان‌پوست (ماهیچه‌ها، استخوان، خون)، یا برون‌پوست (بافت‌های اپیدرمی و سیستم عصبی) را دارد. یکی از انواع این سلول‌های پرتوان، سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPS یا iPSCs) هستند که به‌صورت مصنوعی از یک سلول غیرپرتوان (معمولاً سلول‌ بالغ موجود زنده) به‌دست می‌آیند و ویژگی‌ها و خصیصه‌هایی مشابه سلول‌های بنیادی جنینی (ESCs) دارند.

در تحقیقاتی که اخیراً به سرپرستی دکتر راوی بیرلا انجام‌ گرفته‌است، ابتدا گلبول‌های سفید دریافت‌ گردیده از فرد داوطلب، به سلول‌های بنیادی پرتوان القائی تبدیل‌ می‌گردند و این سلول‌ها پس از تقسیم، سلول‌های بافت ماهیچه‌ای قلب را ایجاد ‌می‌کنند. سلول‌های ایجاد گشته به‌همراه مواد مغذی و ترکیبات موردنیاز برای رشد سلولی، جوهر زیستی اختصاصی شرکت BIOLIFE4D را تشکیل ‌می‌دهند. این جوهر به‌همراه ماده‌ای شفاف که عملکردی مشابه ماتریکس خارج سلولی دارد، از نازل چاپگر زیستی خارج‌ گردیده و حجمی به شکل قلب فرد داوطلب را، به‌صورت لایه ‌به‌لایه شکل ‌می‌دهد. ابعاد و شکل حجم سه‌بعدی ارائه‌ گردیده به چاپگر زیستی، با استفاده از تصاویر MRI قلب فرد داوطلب تعیین ‌می‌گردند. حجم تولید گشته سپس در یک بیورآکتور با قابلیت شبیه‌سازی شرایط زیستی داخل بدن انسان قرار می‌گیرد تا سلول‌های بافت ماهیچه‌ای، امکان خودساماندهی و ترکیب با یکدیگر برای ایجاد بافتی یکپارچه را بیابند. پس از شکل‌گیری کامل قلب، ماده‌ی شفافِ شبیه‌سازِ ماتریکس خارج سلولی، به‌صورت محلول قابل جداسازی خواهدبود. حجم تولید گشته مانند قلب واقعی دارای چهار محفظه بوده و طبق ادعای شرکت BIOLIFE4D، عملکردهای قلبی در ابعاد واقعی را نیز، تا حدی خواهد داشت. هرچند هنوز مشخص نیست که آیا این قلب امکان تپیدن در بدن فرد دریافت ‌کننده‌ی پیوند را نیز دارد یا خیر.(زومیت)

درباره نویسنده