پرینت زیستی سه بعدی پمپ قلب انسان با قابلیت ایجاد نبض خودبه‌خودی

پژوهشگران دانشگاه مینه‌سوتا برای نخستین بار در جهان یک پمپ قلب انسانی را در مقیاس سانتی‌متر چاپ زیستی کردند. این پمپ زیستی پس از شش هفته انکوباسیون، انقباض هماهنگ عضلانی و نبض واقعی از خود نشان داد. این دستاورد مسیر درمان نارسایی‌های قلبی و تولید اعضای پیوندی زنده را دگرگون می‌کند.

پرینت زیستی سه بعدی پمپ قلب

چالش اصلی در مهندسی بافت قلب؛ کمبود تراکم سلولی

تولید بافت منقبض‌شونده قلب به تراکم سلولی فوق‌العاده بالایی نیاز دارد. سلول‌های عضله قلب (کاردیومایوسیت‌ها) تکثیر بسیار کندی دارند. این سلول‌ها به‌راحتی در داربست مهاجرت نمی‌کنند. به همین دلیل، ایجاد اتصالات الکتریکی و مکانیکی پیوسته بین سلول‌ها همواره مانع بزرگی برای محققان بوده است.

در سال ۲۰۱۹، گروه تحقیقاتی لی و همکارانش در نشریه Science یک بطن قلبی تولید کردند. آن‌ها ابتدا پوسته بطن را با کلاژن پرینت کردند. سپس این ساختار را با جوهر فیبرینوژن و دانسیته سنگین ۳۰۰ میلیون سلول کاردیومایوسیت در هر میلی‌لیتر پر کردند. این ساختار پاسخ الکتروفیزیولوژیک خوبی ارائه داد. با این حال، حفظ بقا و زنده‌مانی این حجم عظیم سلولی درون ساختارهای بسته و پیچیده بسیار دشوار بود.

نوآوری دانشگاه مینه‌سوتا: تمایز سلولی درجا (In Situ)

تیم دانشگاه مینه‌سوتا (کوپفر و همکاران، ۲۰۲۰) راهکار هوشمندانه‌ای را اجرا کردند. آن‌ها به جای پرینت سلول‌های بالغ قلبی، از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسان (hiPSCs) استفاده کردند.

پژوهشگران ابتدا سلول‌های بنیادی را با دانسیته اولیه ۱۵ میلیون سلول در هر میلی‌لیتر پرینت کردند. سپس فرایند تکثیر سلولی و تمایز به سلول‌های قلبی را به‌صورت درون‌جا (in situ) در بستر همان داربست هدایت کردند. این ایده چالش حفظ بقای کاردیومایوسیت‌ها را در مراحل اولیه ساخت کاملاً برطرف کرد.

فرمولاسیون جوهر زیستی و روش پرینت FRESH

موفقیت این پروژه به فرمولاسیون پیشرفته جوهر و روش پرینت وابسته بود. جوهر زیستی باید دو ویژگی حیاتی را پوشش می‌داد:

1. تخلخل و تخریب‌پذیری کنترل‌شده: تا سلول‌های بنیادی به‌راحتی تکثیر شوند و فضا را پر کنند.
2. موتیف‌های اتصالی اینتگرین: تا سیگنال‌دهی سلولی و روند تمایز تقویت شود.

پژوهشگران جوهر پایه ژلما (GelMA) را با پروتئین‌های ماتریکس خارج سلولی (فیبرونکتین، لامینین و کلاژن متاکریلات) ترکیب کردند. آن‌ها از نمک LAP به عنوان آغازگر نوری برای ایجاد اتصالات عرضی پایدار بهره بردند.

تیم تحقیق برای شکل‌دهی ساختار دوحفره‌ای بطن، تکنیک FRESH (جاسازی آزاد در بستر هیدروژل‌های معلق) را به کار گرفت. نازل پرینتر جوهر را مستقیماً درون یک حمام میکروژل ژلاتینی تزریق کرد. این حمام ژلاتینی از ریزش دیواره‌های پمپ در زمان چاپ جلوگیری کرد و نیاز به قالب‌های موقت را از بین برد.

ارزیابی عملکرد و ایجاد نبض پس از ۶ هفته

پژوهشگران پمپ پرینت‌شده را به مدت ۶ هفته درون محیط تمایزی کشت دادند. نتایج حاصل بسیار درخشان بود:

• دقت ابعادی بالا: ساختار پرینت‌شده تطابق کاملی با مدل سه‌بعدی رایانه‌ای نشان داد.
• آزمون پرفیوژن و عدم نشت: تزریق جوهر نشان داد دیواره بین دو بطن کاملاً متراکم است و هیچ نشتی در حین پمپاژ مایع رخ نمی‌دهد.
• نبض هماهنگ و کوپلینگ الکترومکانیکی: تیم تحقیق سیگنال‌های الکتروشیمیایی را در هفته دوم و ششم ارزیابی کردند. پس از ۶ هفته، سلول‌های تمایزیافته شبکه یکپارچه‌ای ساختند و پمپ قلبی نبض خودبه‌خودی، هماهنگ و مداوم ثبت کرد.

جمع‌بندی و افق آینده

پژوهش پرینت زیستی سه بعدی پمپ قلب ثابت کرد که تلفیق تکنیک پرینت FRESH با استراتژی تمایز درون‌جای سلول‌های بنیادی، ساخت اندام‌های پیچیده و دارای جریان خون را ممکن می‌سازد. این ارگانوئیدهای عضلانی امکان آزمایش داروهای قلبی را بدون نیاز به مدل‌های حیوانی فراهم می‌کنند و گامی اساسی به سوی پرینت قلب کامل پیوندی هستند.

منابع

Lee, A., et al. (2019). “3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart.” Science, 365(6452), 482-487.

Kupfer, M. E., et al. (2020). “In situ expansion, differentiation, and electromechanical coupling of human cardiac muscle in a 3D bioprinted, chambered organoid.” Circulation Research, 127(2), 207-224.