چالش تاریخی در پیش‌بینی رفتار سرطان با پرینت زیستی عروق خونی در متاستاز
پزشکان بیش از ۱۵۰ سال پیش تمایل سلول‌های سرطانی به مهاجرت و تشکیل تومورهای ثانویه را کشف کردند. با وجود این سابقه طولانی، پیش‌بینی دقیق محل فرود و لانه‌گزینی این سلول‌ها درون یک اندام غیرممکن مانده است. ناتوانی در شناسایی و مهار متاستازهای اولیه، بزرگ‌ترین مانع در درمان مؤثر بیماران سرطانی به شمار می‌رود.
درون بدن، نیروهای مکانیکی و فاکتورهای بیولوژیکی پیچیده‌ای بر سلول‌های توموری در گردش (CTC) اثر می‌گذارند. هندسه دقیق شبکه رگی، سرعت جریان خون، حضور گلبول‌های قرمز، عملکرد گلبول‌های سفید و الگوی چسبندگی سلولی رفتارهای غیرقابل‌پیش‌بینی ایجاد می‌کنند. مطالعه این پدیده‌ها در محیط زنده بسیار دشوار است و آزمایش‌های متداول برون‌تنی نیز نیازمند ساده‌سازی‌های افراطی هستند.
پرینت زیستی عروق خونی در متاستاز
محدودیت چیپ‌های میکرومایعاتی مرسوم
تراشه‌های میکرومایعاتی معمولی کانال‌های رگی را با قالب‌ریزی صلب پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) بازسازی می‌کنند. این چیپ‌ها نقایص عمده‌ای دارند:
- دیواره‌های سخت کانال‌ها توانایی اتساع و انقباض ناشی از پالس‌های جریان خون را ندارند.
- قابلیت انطباق‌پذیری مکانیکی و بافتی دیواره عروق طبیعی در آن‌ها دیده نمی‌شود.
- اتصالات سلولی واقعی میان پوشش اندوتلیال و ماتریکس برون‌سلولی اطراف شکل نمی‌گیرد.
این نواقص مانع تحلیل دقیق نیروهای برشی، گردابه‌های جریان و محل‌های مستعد اتصال سلول‌های بدخیم می‌شوند.
تلفیق پرینت زیستی و دینامیک سیالات محاسباتی
دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) آمریکا برای حل این بن‌بست، فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی را با شبیه‌سازی رایانه‌ای ترکیب کردند. این تیم نتایج کار خود را در ژورنال معتبر Science Advances منتشر کردند. آن‌ها مدلی محاسباتی ساختند که با ارزیابی رفتار سلول‌های در گردش، دلیل جذب تومورها به نواحی خاصی از شبکه رگی را تحلیل می‌کند.
محققان نشان دادند که رهگیری نخستین پیوندهای چسبندگی سلول‌های سرطانی به دیواره رگ، کلید شناسایی زودهنگام نقطه آغاز متاستاز در هر بیمار است.
فرایند ساخت رگ‌های زیست‌چاپ‌شده با جوهر فداشونده
پژوهشگران برای بازسازی شبکه عروقی از یک سامانه پرفیوژن مبتنی بر هیدروژل استفاده کردند:
- چاپ کانال‌های فداشونده: ابتدا کانال‌های رگی با هندسه اختصاصی و با استفاده از هیدروژل فداشونده (Sacrificial Ink) پلورونیک F-127 به روش اکستروژنی چاپ شدند.
- ایجاد بستر ماتریکسی و شست‌وشو: هیدروژل اصلی اطراف الگو را پوشاند؛ سپس با کاهش دما، جوهر فداشونده حل شد و شبکه لوله‌ای توخالی بر جای ماند.
- کشت سلول‌های اندوتلیال: سلول‌های اندوتلیال مویرگ مغزی انسان به درون مجاری تزریق شدند و تحت جریان پیوسته مواد مغذی (Perfusion) به مدت یک هفته رشد کردند تا لایه درون‌رگی یکپارچه‌ای شکل گیرد.
- تزریق سلول‌های توموری: سلول‌های سرطان پستان به کانال‌ها تزریق شدند. محققان موقعیت بیش از ۶۰۰۰ سلول چسبیده به دیواره را به‌طور دقیق نقشه‌برداری کردند و این داده‌ها را با پارامترهای بیوفیزیکی جریان سیال در هر نقطه تطبیق دادند.
نتایج عملکردی و افق‌های کاربردی
داده‌های تجربی حاصل از این بستر زنده، ورودی مستقیمی برای اعتبارسنجی مدل‌های سه‌بعدی شبیه‌سازی جریان خون فراهم کرد. پژوهشگران دریافتند که افت و خیزهای موضعی سرعت جریان و نقاط با تنش برشی پایین، بیشترین نرخ چسبندگی سلول‌های سرطانی را رقم می‌زنند.
این گروه در گام‌های بعدی، هندسه‌های عروقی پیچیده‌تر و شبکه‌های انشعابی چندسطحی را شبیه‌سازی می‌کنند تا اثر عوامل دیگر بیوفیزیکی را در پیشرفت سرطان ارزیابی نمایند. هم‌زمان، تیم‌های دیگر از این پلتفرم برای بررسی ریسک‌های حین جراحی، مانند نحوه تشکیل لخته‌های خونی (ترومبوز) در عروق مصنوعی استفاده می‌کنند.
منبع پرینت زیستی عروق خونی در متاستاز
Hynes WF, et al. Examining metastatic behavior within 3D bioprinted vasculature for the validation of a 3D computational flow model. Science Advances. 2020;6(35):eabb3308.