کاربرد روش FRESH در چاپ زیستی کلاژن برای بازسازی اجزای عملکردی قلب انسان
بیماری‌های قلبی‌عروقی سالانه جان میلیون‌ها نفر را در سراسر جهان می‌گیرند. در حال حاضر پیوند قلب طبیعی تنها راهکار قطعی برای درمان نارسایی‌های پیشرفته قلبی است. با این حال، کمبود شدید عضو اهدایی و خطرات رد پیوند سیستم ایمنی جان بیماران در صف انتظار را تهدید می‌کند.
مهندسی بافت به دنبال ساخت اندام‌های قلبی زنده با سلول‌های خود بیمار است. با این حال، چاپ پروتئین‌های نرمی مانند کلاژن طبیعی به دلیل استحکام مکانیکی پایین و ریزش لایه‌ها در حین چاپ، همواره یک چالش بزرگ مهندسی به شمار می‌رفت.
پژوهشگران دانشگاه کارنگی ملون آمریکا (Carnegie Mellon University) با ابداع نسخه ارتقایافته تکنیک روش FRESH در چاپ زیستی (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels v2.0)، راهکاری بی‌سابقه برای چاپ دقیق پروتئین‌های نرم و ساخت اجزای عملکردی قلب انسان ارائه داده‌اند. نتایج این دستاورد در ژورنال معتبر Science منتشر شده است.
سازوکار روش FRESH در چاپ زیستی کلاژن
پروتئین کلاژن به عنوان فراوان‌ترین جزء ماتریکس خارج سلولی (ECM)، زیست‌سازگاری بالایی برای رشد سلول‌های قلبی دارد. اما ژل کلاژن ویسکوزیته پایینی دارد و در هوا فرو می‌ریزد.
روش FRESH این مشکل را با یک سازوکار شناور نوین حل می‌کند:
- تزریق در حمام ژلاتینی ساپورت: نازل پرینتر زیستی، سوسپانسیون کلاژن و سلول را به صورت مستقیم درون یک حمام میکروژل ژلاتینی تزریق می‌کند. این حمام هیدروژلی نقش تکیه‌گاه موقت شناور را ایفا می‌نماید و مانع از تغییر شکل قطره‌ها می‌شود.
- شکل‌دهی لایه‌ها با وضوح میکرومتری: این روش امکان چاپ میکروفیبرهای کلاژن را با قطر بسیار ظریف ۲۰ میکرومتر فراهم می‌سازد. این وضوح بالا، هندسه دقیق مویرگ‌ها و داربست‌های پیچیده قلبی را بازسازی می‌کند.
- ذوب حرارتی و جداسازی ماده ساپورت: پس از اتمام چاپ، دمای محیط تا ۳۷ درجه سانتی‌گراد (دمای طبیعی بدن انسان) افزایش می‌یابد. ژل ژلاتینی موقت ذوب و تخلیه می‌شود، در حالی که داربست کلاژنی متراکم و ساختار زنده بدون هیچ آسیبی باقی می‌ماند.
بازسازی بطن‌ها و دریچه‌های ضربان‌دار قلب
محققان دانشگاه کارنگی ملون داده‌های تصویربرداری میکرو سی‌تی اسکن (μCT\mu\text{CT}) قلب بیماران را به فایل‌های سه‌بعدی تبدیل کردند. آن‌ها با استفاده از روش FRESH اجزای پیچیده قلبی را با موفقیت تولید نمودند:
- دریچه سه‌لتی (Tricuspid Valve): بازسازی دقیق لبه‌ها و دیواره‌های ظریف دریچه با مقاومت در برابر فشارهای دینامیکی جریان مایع.
- بطن چپ با انقباض هماهنگ: چاپ هم‌زمان کلاژن و سلول‌های کاردیومیوسیت تمایزیافته از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (iPSCs).
- ثبت پتانسیل عمل و ضربان: بطن‌های مهندسی‌شده پس از چند روز همجوشی، انتقال سیگنال‌های الکتریکی و انقباض‌های پمپاژکننده هماهنگ را ثبت کردند.
- مهندسی شبکه‌های رگی متراکم: ساخت بستر مویرگی پیوسته جهت اکسیژن‌رسانی و تغذیه بافت‌های ضخیم عضلانی قلب.
چشم‌انداز پیوند اندام‌های شخصی‌سازی‌شده
فناوری چاپ FRESH نشان می‌دهد که مهندسی بافت به آستانه تولید اندام‌های قلبی پیوندی نزدیک شده است. با بهره‌گیری از سلول‌های بنیادی اختصاصی هر بیمار، خطر پس‌زدن ایمنی به صفر می‌رسد و نیاز به داروهای سرکوب‌کننده ایمنی از بین می‌رود. همچنین، این مدل‌های قلبی عملکردی بستری فوق‌العاده برای ارزیابی اثرات سم‌شناسی داروهای جدید بیماری‌های قلبی به شمار می‌آیند.
منابع