تولید بافت زنده با چاپ زیستی؛ نوآوری محققان دانشگاه کالیفرنیا در ساخت عروق و مدل‌های ارگان روی تراشه
یکی از موانع اصلی در بازسازی بافت‌های حجیم و مدل‌سازی بیماری‌ها در آزمایشگاه، فقدان شبکه خون‌رسانی کارآمد است. سلول‌های زنده بدون دسترسی مداوم به اکسیژن و مواد مغذی در فواصل بیش از چند صد میکرون دچار مرگ بافتی (نکروز) می‌شوند. مدل‌های سنتی کشت دوبعدی توانایی بازسازی این برهمکنش‌های پیچیده را ندارند. از این رو، محققان حوزه پزشکی بازساختی تلاش می‌کنند تا با ابداع روش‌های نوین، فرآیند رگ‌زایی و تشکیل کانال‌های زیستی را در خارج از بدن شبیه‌سازی کنند. دستیابی به روش‌های پایدار برای تولید بافت زنده با چاپ زیستی، مسیر ساخت مدل‌های پیشرفته ارگان روی تراشه (Organ-on-a-Chip) را هموار می‌سازد.
تولید بافت زنده با چاپ زیستی
دستاورد پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو (UCSD)
تیمی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو (UCSD) راهکاری خلاقانه برای ایجاد شبکه‌های مویرگی و عروقی سه‌بعدی ابداع کردند. این گروه با استفاده از روش قالب‌گیری فداشونده، عروق خونی فعالی ساختند که شرایط را برای زنده نگه‌داشتن بافت‌های سرطانی پستان و همچنین مدل‌های پیچیده روده در خارج از بدن (Ex Vivo) فراهم می‌کند. نتایج شگفت‌انگیز این پژوهش مرزدانشی در ژورنال معتبر بین‌المللی Advanced Healthcare Materials منتشر شده است. هدف کلیدی این طرح، کاهش چشمگیر زمان و هزینه ساخت پلتفرم‌های آزمایشگاهی برای غربالگری داروهای ضدسرطان است.
سازوکار ساخت شبکه‌های عروقی به روش قالب فداشونده
پژوهشگران در این پروژه فرآیندی چندمرحله‌ای و دقیق را با کمک فناوری‌های چاپ سه‌بعدی به کار گرفتند:
- چاپ ساختار موقت فداشونده: محققان ابتدا با استفاده از یک پرینتر سه‌بعدی، داربستی شبکه‌ای از پلی‌وینیل الکل (PVA) ساختند. این پلیمر زیست‌سازگار قابلیت حل‌شدن کامل در آب را دارد و به عنوان الگوی موقت رگ عمل می‌کند.
- قالب‌گیری با ماتریکس طبیعی: سپس اطراف این داربست را با لایه‌ای ضخیم از مواد و هیدروژل‌های طبیعی پوشاندند. این ماتریس زیستی پس از فرآیند پخت و پیوند عرضی، ساختاری منسجم و ژلی پیدا کرد.
- تخلیه قالب و ایجاد لومن توخالی: در مرحله بعد، آب و محلول فیزیولوژیک از ساختار عبور داده شد تا ماده PVA به آرامی حل و از محیط خارج شود. با خروج پلیمر، شبکه‌ای از کانال‌های لوله‌ای توخالی و بدون انسداد در دل هیدروژل باقی ماند.
- سلول‌نشانی و برقراری پرفیوژن: پژوهشگران دیواره داخلی این کانال‌ها را با سلول‌های اندوتلیال عروقی پوشاندند. با برقراری جریان مستمر محیط کشت سلولی درون لوله‌ها، سلول‌ها اتصالات محکمی برقرار کردند و یک اندوتلیوم یکپارچه و زنده پدید آوردند.
کاربرد در مدل‌سازی تومور سینه و بافت روده
این شبکه عروقی به محققان اجازه داد تا تومورهای سه‌بعدی سرطان سینه را برای مدت طولانی در آزمایشگاه تغذیه و زنده نگه دارند. مدل‌های روده عروقی‌شده نیز رفتارهای جذبی و سد زیستی طبیعی را شبیه‌سازی کردند. این دستاورد بستر مناسبی برای آزمایش میزان نفوذ داروهای شیمی‌درمانی و سنجش سمیت آن‌ها در شرایطی بسیار نزدیک به بدن انسان فراهم می‌سازد.
تجهیزات و فناوری‌های اساسی در زیست‌چاپ عروق
فرآیند چاپ دقیق داربست‌های میکرونی به یک ماژول پرینتر زیستی با رزولوشن مکانیکی بالا و پایداری لایه‌نشانی نیاز دارد. برای موفقیت این ساختارها، انتخاب یک جوهر زیستی هیدروژلی با خواص مکانیکی متناسب، ماتریس بافتی را پایدار نگه می‌دارد. همچنین به‌کارگیری یک کیت مهندسی بافت استاندارد برای سنجش زنده‌مانی سلول‌های اندوتلیال، مراحل کنترل کیفی را پس از پرینت زیستی سرعت می‌بخشد. فناوری چاپگر زیستی این امکان را می‌دهد که الگوهای هندسی عروق بر اساس تصاویر سی‌تی‌اسکن یا الگوهای ریاضی به دقت پیاده‌سازی شوند.
بومی‌سازی و ارائه خدمات چاپ زیستی در ایران
پیشرفت‌های دانشگاه‌های برتر جهان در زمینه تولید بافت زنده با چاپ زیستی، اهمیت توسعه این فناوری را در داخل کشور برجسته می‌کند. شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» با طراحی نسل نوین چاپگرهای زیستی بومی سری BioFabX و ارائه جامع خدمات چاپ زیستی، بستر تحقیقاتی ایده‌آلی برای محققان ایرانی ایجاد کرده است. مراکز تحقیقاتی، دانشکده‌های داروسازی و انکولوژی با تکیه بر این تجهیزات می‌توانند مدل‌های ارگان روی تراشه و پلتفرم‌های آزمایش داروی بومی را بدون نیاز به دستگاه‌های گران‌قیمت وارداتی توسعه دهند.
سخن پایانی
استفاده از الگوهای فداشونده برای تولید بافت زنده با چاپ زیستی، تحولی بنیادین در مهندسی بافت عروقی ایجاد کرده است. این رویکرد مشکل خون‌رسانی به تومورها و ارگان‌های متراکم را حل می‌کند و وابستگی به آزمون‌های حیوانی را به حداقل می‌رساند. با پیشرفت روزافزون سیستم‌های چاپ زیستی، چشم‌انداز پیوند بافت‌های مهندسی‌‌ساز و تولید اندام‌های کامل انسانی در آینده بیش از پیش در دسترس قرار گرفته‌است.