تقلید زیستی کلیه با بایوپرینتر؛ تحولی در مدل‌سازی بیماری‌های کلیوی و داروشناسی
کلیه‌ها ارگان‌هایی لوبیایی‌شکل هستند که نقشی حیاتی در حفظ هموستاز بدن ایفا می‌کنند. هر کلیه از بیش از یک میلیون واحد عملکردی به نام نفرون تشکیل شده‌است. هر نفرون شامل سه جزء اصلی است: شریانچه کلیوی (گلومرول)، کپسول بومن و توبول‌های ادراری. این ساختار پیچیده، وظیفه فیلتراسیون پلاسما و حذف مواد زائد از خون را بر عهده دارد. در این فرآیند، کلیه مواد مورد نیاز بدن را بازجذب کرده و مواد سمی را از طریق ادرار دفع می‌کند.
تا زمانی که مویرگ‌های گلومرولی و توبول‌های انتهایی با هماهنگی کامل عمل کنند، خلوص و ماهیت طبیعی مایعات بدن حفظ می‌شود. با این حال، اختلال در عملکرد بازجذب مواد مغذی در توبول‌های انتهایی، یکی از مشکلات شایع کلیوی است که بررسی آن در سطوح سلولی، به دلیل پیچیدگی‌های ساختاری، بسیار دشوار است. محققان برای درک این فرایندها، پیش از این به مطالعات حیوانی متکی بودند که محدودیت‌های اخلاقی و بیولوژیکی خاص خود را داشت.
تقلید زیستی کلیه با بایوپرینتر؛ رویکردی نوآورانه
تکنولوژی چاپ زیستی دریچه‌ای جدید به سوی مدل‌سازی بیماری‌ها گشوده است. محققان موسسه Wyss دانشگاه هاروارد و مرکز نوآوری Roche در سوئیس، اخیراً مدلی را توسعه دادند که مویرگ‌های گلومرول و توبول‌های انتهایی کلیه را با دقت بسیار بالایی بازسازی می‌کند. آن‌ها در این تحقیق، توبول‌ها و عروق خونی همراه آن را به‌صورت سه‌بعدی در کنار یکدیگر و درون یک ماتریس خارج سلولی نفوذپذیر پرینت زیستی کردند.
در این ساختار، محققان سلول‌های اپیتلیوم توبول انتهایی و اندوتلیوم عروقی را به‌صورت هم‌زمان کشت کردند. این مدل نشان داد که تبادلات توبول-عروقی به همان شکلی که در بدن رخ می‌دهد، در آزمایشگاه قابل تکرار است. فناوری چاپگر زیستی به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا هندسه بغرنج این بافت‌ها را با دقت میکرونی بازسازی کنند.
دقت و کارایی در مدل‌سازی بیماری
با استفاده از این مدل سه‌بعدی، دانشمندان توانستند بازجذب آلبومین و گلوکز را به‌عنوان تابعی از زمان اندازهگیری و کمی‌سازی کنند. آن‌ها برای مدل‌سازی بیماری، سلول‌های توبول انتهایی را در شرایط هیپرگلیسمی قرار دادند. نتایج این آزمایش نشان داد که در این شرایط، عملکرد سلول‌های اندوتلیال دچار اختلال می‌شود. نکته حائز اهمیت این بود که پژوهشگران توانستند با استفاده از یک مهارکننده انتقال گلوکز، این حالت بیماری را در مدل سه‌بعدی برطرف کنند. این موفقیت، ظرفیت بالای پلتفرم‌های چاپ زیستی را برای تست داروهای جدید اثبات می‌کند.
تکنولوژی ساخت: از ماتریس تا ارگان
دستیابی به این مدل دقیق، بدون بهره‌گیری از یک ماژول پرینتر زیستی پیشرفته امکان‌پذیر نبود. انتخاب یک جوهر زیستی بهینه که از حیات سلول‌ها حمایت کرده و ساختار لازم برای رشد آن‌ها را فراهم کند، کلید موفقیت این طرح بود. امروزه پژوهشگران می‌توانند با بهره‌گیری از خدمات چاپ زیستی تخصصی، ساختارهای درهم بافتی را طراحی و تولید کنند. ساخت بافت‌های سه‌بعدی که ترکیب سلولی، هندسه و عملکرد بافت طبیعی کلیه را شبیه‌سازی می‌کنند، مطالعات بنیادی در مورد فیلتراسیون و بازجذب مواد را تسهیل می‌کند. این پلتفرم‌ها همچنین مسیری هموار برای بررسی برون‌تنی (Ex-vivo) عملکرد کلیه، مدل‌سازی بیماری‌ها و تحقیقات داروشناسی فراهم می‌آورند.
چشم‌انداز آینده و خودکفایی ملی
نیل لین، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی این پروژه، در مصاحبه‌ای مطبوعاتی اعلام کرد: «ما این کلیه‌های زنده را طی چند روز می‌سازیم و آن‌ها می‌توانند ماه‌ها پایدار و فعال باقی بمانند.» این سخن، قدرت تکنولوژی پرینت زیستی را در تغییر پارادایم پزشکی به تصویر می‌کشد.
شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» با درک همین نیازها، در مسیر بومی‌سازی زیرساخت‌های مهندسی بافت در کشور گام برمی‌دارد. توسعه کیت مهندسی بافت استاندارد و ارائه خدمات چاپ زیستی با استفاده از دستگاه‌های BioFabX، به پژوهشگران ایرانی اجازه می‌دهد تا در لبه تکنولوژی جهانی حرکت کنند. با استفاده از این ابزارها، محققان ما می‌توانند مد‌ل‌های دقیق کلیه را طراحی کرده و آن‌ها را در آزمایشگاه‌های خود به کار گیرند.
کلام آخر
مطالعاتی که نتایج آن در ژانویه ۲۰۱۹ در ژورنال معتبر PNAS منتشر شد، ثابت می‌کند که آینده پزشکی در گروِ توانایی ما برای بازسازی ساختارهای پیچیده بدن در مقیاس مینیاتوری است. مدل‌سازی دقیق کلیه، تنها آغازی بر این مسیر است. با پیشرفت روزافزون سخت‌افزارهای چاپگر زیستی و بهینه‌سازی فرمولاسیون جوهرهای زیستی، ما به زمانی نزدیک می‌شویم که می‌توانیم برای هر بیمار، مدل اختصاصی بافت او را ساخته و پاسخ‌های درمانی را پیش از پیاده‌سازی بالینی بررسی کنیم. این مسیر، نویدبخش کاهش هزینه‌های درمانی و ارتقای کیفیت زندگی بیماران در سراسر جهان است.