مدل‌سازی مراحل رشد قلب انسان با پرینت زیستی سه بعدی
نقص‌های مادرزادی قلب (CHD) از شایع‌ترین اختلالات ساختاری در بدو تولد هستند. تقریباً از هر ۱۰۰ نوزاد، یک نفر با این عارضه متولد می‌شود. ناهنجاری‌های شدیدی مانند انسداد شریان ریوی یا رشد ناقص قلب، حیات نوزاد را به خطر می‌اندازند. پزشکان برای این ناهنجاری‌ها درمان قطعی و کاملی در دست ندارند. این نوزادان در نخستین هفته‌های زندگی جراحی‌های سنگینی را پشت سر می‌گذارند و متأسفانه بسیاری از آن‌ها زنده نمی‌مانند.
مدل‌سازی مراحل رشد قلب
دریافت معتبرترین جایزه علمی آمریکا (NSF CAREER)
دکتر وحید سرپوشان، استادیار گروه مهندسی پزشکی در دانشگاه صنعتی جورجیا و دانشگاه اموری، پروژه‌ای پیشگامانه را هدایت می‌کند. هدف این پروژه کشف رازهای زیستی تکامل قلب و یافتن راهکارهای درمانی نوین است. بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) به پاس این دستاورد، جایزه پنج‌ساله CAREER Award را به او اعطا کرد. این جایزه معتبرترین نشان افتخار بنیاد ملی علوم برای اعضای جوان هیئت علمی است.
نوآوری فنی: پرینت هیدروژل نرم و شبیه‌سازی مراحل جنینی
این طرح نخستین مدل سه‌بعدی خدمات چاپ زیستی بافت قلب را با هیدروژل‌های بسیار نرم ارائه می‌دهد. این جوهر هیدروژلی خواص مکانیکی بافت زنده قلب را بازآفرینی می‌کند. پژوهشگران سلول‌های قلبی را در این بستر تزریق و کشت می‌کنند. این تیم دو مرحله کلیدی از تکامل جنینی را مدل‌سازی می‌کند:
- لوله اولیه قلب جنین (Primitive Heart Tube): مرحله روز بیستم پس از لقاح.
- قلب جنینی تکامل‌یافته: مرحله ساختار چهارحفره‌ای در هفته‌های ۳۰ تا ۳۴ بارداری.
پس از چاپ ساختار، نمونه‌ها درون یک بیوراکتور پیشرفته قرار می‌گیرند. این بیوراکتور جریان پالسی سیال را مشابه گردش خون واقعی در بافت برقرار می‌سازد.
عبور از محدودیت‌های مدل‌های حیوانی و دوبعدی
کشت‌های دوبعدی توانایی بازآفرینی جریان پویای خون را ندارند. مدل‌های حیوانی نیز تفاوت‌های ساختاری و فیزیولوژیکی فاحشی با قلب انسان نشان می‌دهند. سیستم طراحی‌شده توسط دکتر سرپوشان جایگزینی دقیق برای روش‌های پیشین است. این رویکرد چند مزیت برجسته دارد:
- تکرارپذیری بالا: پژوهشگران صدها مدل یکسان را تولید و متغیرهای مختلف را ارزیابی می‌کنند.
- کاهش آزمون‌های حیوانی و بالینی: محققان بدون آسیب به مدل‌های زنده، رفتار دقیق سلول‌ها را رصد می‌کنند.
- غربالگری دارویی: شرکت‌های داروسازی اثرات و سمیت داروها را بر بافت در حال رشد می‌سنجند.
- توسعه جراحی‌های نوین: جراحان تکنیک‌های ترمیمی خود را پیش از عمل بر روی این مدل‌ها تمرین می‌کنند.
متغیرهای کلیدی در شکل‌گیری بافت قلب
تمرکز اصلی این پژوهش بر نقش دینامیک سیالات و بیومکانیک بافت استوار است. تیم تحقیقاتی سه فاکتور اصلی میکرومحیط سلولی را بررسی می‌کند:
- سرعت سه‌بعدی جریان خون: بررسی بردارها و مسیرهای گردش مایع درون حفره‌ها.
- تنش برشی هیدرودینامیکی (Shear Stress): نیروهای مماسی جریان خون سیگنال‌های هدایت‌کننده رشد و جهت‌گیری سلولی هستند. هرگونه اختلال در جریان خون، رشد بافت را تغییر می‌دهد و به ناهنجاری ساختاری می‌انجامد.
- سفتی مکانیکی بستر و غلظت پروتئین‌ها: سنجش سختی ماتریکس خارج سلولی و توزیع پروتئین‌های ساختاری در مراحل مختلف تمایز سلولی.
و اما در آخر …
پروژه دکتر وحید سرپوشان درک ما را از تکوین جنینی قلب دگرگون می‌کند. تلفیق پرینت زیستی سه بعدی، هیدروژل‌های زیست‌سازگار و جریان‌های بیوراکتوری، ابزاری بی‌نظیر برای کشف ریشه‌های نقص مادرزادی قلب فراهم کرده است. این پلتفرم مسیر طراحی درمان‌های دارویی ایمن و جراحی‌های دقیق را برای نجات جان نوزادان هموار می‌سازد.
منبع مدل‌سازی مراحل رشد قلب
Georgia Tech & Emory BME Department News: Dr. Vahid Serpooshan Awarded NSF CAREER Award
