چالش دستیابی به تراکم سلولی فیزیولوژیک و پرینت زیستی بافت قلبی
بیماری‌های قلبی-عروقی سالانه جان میلیون‌ها انسان را می‌گیرند. بازسازی بافت آسیب‌دیده میوکارد به سلول‌های عضلانی زنده و منقبض‌شونده نیاز دارد. پژوهشگران در سال‌های اخیر از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسان (hiPSC) برای تولید کاردیومیوسیت‌ها بهره برده‌اند. با این حال، دو چالش اصلی مانع از ساخت اندام‌های کارآمد می‌شد:
- عدم دستیابی به تراکم سلولی بسیار بالای بافت طبیعی قلب (بیش از 10810^8108 سلول در هر سانتی‌متر مکعب).
- نقص در استحکام مکانیکی و ناتوانی در ایجاد لایه‌های ضخیم عضلانی با قابلیت خون‌رسانی و پمپاژ موثر.
پرینت زیستی بافت قلبی
ابداع پمپ قلبی زنده (hChaMP) در دانشگاه مینه‌سوتا
گروهی از محققان دانشگاه مینه‌سوتا (UMN) به سرپرستی پروفسور برندا اوپرشت (Brenda Ogle)، با فرمولاسیون یک زیست‌جوهر نوین موفق به ساخت یک پمپ قلبی دارای ضربان در مقیاس سانتی‌متری شدند. این ساختار پمپ عضلانی بافت قلب انسان (hChaMP) نام دارد و دستاورد آن در ژورنال معتبر Circulation Research وابسته به انجمن قلب آمریکا به چاپ رسیده است.
پژوهشگران در این پروژه استراتژی نوآورانه‌ای را به کار گرفتند: آن‌ها به جای پرینت مستقیم سلول‌های تمایزیافته قلبی، ابتدا سلول‌های بنیادی hiPSC را در حالت پرتوان پرینت کردند. سلول‌ها درون ساختار داربست تا تراکم فیزیولوژیک تکثیر شدند و سپس محققان فرآیند تمایز به کاردیومیوسیت‌ها را درون خود داربست هدایت کردند. این روش امکان ساخت دیواره‌های ضخیم عضلانی با انقباض یکپارچه و خودبه‌خودی را فراهم ساخت.
فرمولاسیون زیست‌جوهر و پرینت با تکنیک FRESH
جوهر زیستی توسعه‌یافته بر پایه پروتئین‌های ماتریس خارج سلولی (ECM) طبیعی فرموله شده است:
- پلیمرهای زیستی حساس به نور: ترکیب ژلاتین متاکریلات (GelMA) و کلاژن متاکریلات (ColMA) پایداری ساختاری اولیه را ایجاد می‌کند.
- پروتئین‌های ماتریس زیستی: افزودن فیبرونکتین و لامینین-۱۱۱ سیگنال‌های اتصالی و رشد سلولی را فعال می‌سازد.
- آغازگر نوری: ماده LAP پیوند عرضی و تثبیت فوری ژل را تحت نور مرئی/فرابنفش کنترل می‌کند.
محققان فرایند چاپ را با تکنیک اکستروژنی FRESH (تعلیق برگشت‌پذیر هیدروژل‌های آزاد) درون یک حمام ژلاتینی فداشونده اجرا کردند. این تکنیک مانع از فروریزش حفرات و کانال‌های داخلی عروقی در طول پرینت می‌شود.
عملکرد مکانیکی و کاربردهای زیست‌پزشکی
ساختار پرینت‌شده دارای دو حفره مجزا و مجاری مشخص برای برقراری جریان سیال (Perfusion) است. نتایج تست‌های آزمایشگاهی نشان داد:
- سلول‌های بافت ضربان همزمان و هماهنگ را در سرتاسر پمپ نشان می‌دهند.
- دیواره عضلانی ضخیم توانایی پمپاژ مایع و پاسخ‌دهی به داروهای قلبی را حفظ می‌کند.
- پروتئین‌های ECM بستر مناسبی برای رشد بلندمدت و تکثیر پایدار سلول‌ها فراهم می‌آورند.
این مدل پیشرفته کاربرد گسترده‌ای در غربالگری سمیت داروها، مدل‌سازی دقیق بیماری‌های قلبی و توسعه گرافت‌های پیوندی برای بازسازی بافت میوکارد دارد.
منابع پرینت زیستی بافت قلبی
Kupfer ME, Lin WH, Ravikumar V, et al. In Situ Expansion, Differentiation, and Electromechanical Coupling of Human Induced Pluripotent Stem Cells in a 3D Bioprinted Heart Pump. Circulation Research. 2020;127(2):207-224.
3DPrint.com: Researchers Create hChaMP: A Beating Bioprinted Heart Pump