به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان،در طول دهه گذشته، پیشرفت‌ها در پرینت سه بعدی، فرصت‌های جدیدی را برای مهندسان زیستی برای ساخت بافت‌ها و ساختارهای قلب باز کرده است. اهداف آنها شامل ایجاد بسترهای آزمایشگاهی بهتر برای کشف درمان‌های جدید برای بیماری‌های قلبی است، زیرا این بیماری‌ها عامل اصلی مرگ و میر در ایالات متحده و همچنین مسئول حدود یک مورد از هر پنج مرگ در سطح ملی می‌باشند. بنابراین استفاده از بافت‌های قلب پرینت شده با پرینت سه بعدی برای ارزیابی درمان‌هایی است که ممکن است بهترین کار را انجام دهند. هدف دورتر این روش، ساختن بافت‌های قابل پیوند است که می‌توانند ساختارهای معیوب یا بیمار را در قلب بیمار بهبود یا جایگزین کنند.

ماتریکس خارج سلولی (ECM) و وظایف آن در حفظ ساختار بافت

ماتریکس خارج سلولی (ECM) بخش غیر سلولی موجود در تمام بافت‌ها و اندام‌ها است و نه تنها داربست فیزیکی ضروری را برای اجزای سلولی فراهم می‌کند، بلکه نشانه‌های بیوشیمیایی و بیومکانیکی حیاتی را آغاز می‌کند که برای مورفوژنز، تمایز و هموستاز بافت مورد نیاز است. اگرچه اساساً ECM از آب، پروتئین‌ها و پلی ساکاریدها تشکیل شده است، اما هر بافت دارای یک ECM با ترکیب و توپولوژی منحصر به فرد است که در طول تکوین بافت از طریق تعاملات والقاهای پویا و متقابل، خصوصیات بیوشیمیایی و بیوفیزیکی بین اجزای مختلف سلولی (به عنوان مثال اپیتلیال، فیبروبلاست، چربی، عناصر اندوتلیال و ریزمحیط سلولی و پروتئینی) را ایجاد می‌کنند.). ولی نکته اینجاست که ترکیب فیزیکی، توپولوژیکی و بیوشیمیایی ECM نه تنها مختص بافت است، بلکه به طور قابل توجهی ناهمگن است. خواص بیوشیمیایی و بیومکانیکی، حفاظتی و سازمانی ECM در یک بافت معین می‌تواند از بافتی به بافت دیگر (مانند ریه‌ها در مقابل پوست در مقابل استخوان) و حتی در یک بافت (مانند قشر کلیوی در مقابل مدولای کلیه) و همچنین از بافتی متفاوت باشد. نقش دیگر ماتریکس چسبندگی به سلول است، ECM کارچسپندگی را از طریق گیرنده های ECM، مانند اینتگرین‌ها، گیرنده‌های دامنه دیسکوئیدین و سیندکان‌ها انجام می‌دهد. چسبندگی واسطه اتصال اسکلت سلولی به ECM است و در مهاجرت سلولی از طریق ECM نقش دارد . علاوه بر این، ECM یک ساختار بسیار پویا است که دائماً به صورت آنزیمی یا غیر آنزیمی در حال بازسازی است و اجزای مولکولی آن در معرض تغییرات پس از ترجمه بی‌شماری قرار می‌گیرند. ECM از طریق ویژگی‌های فیزیکی و بیوشیمیایی خود، خواص بیوشیمیایی و مکانیکی هر اندام، مانند استحکام کششی و فشاری و کشسانی آن را ایجاد می‌کند، و همچنین با یک عمل بافری هموستاز خارج سلولی و احتباس آب بافت را حفظ می‌کند. علاوه بر این، ECM برای سازمان‌دهی مورفولوژیکی ضروری است.

تولید بافت قلبی با تزریق جوهر ژل و فیبر

هیدروژل‌ها مواد جذابی برای مهندسی بافت هستند، اما تلاش‌ها تا به امروز توانایی محدودی برای تولید ویژگی‌های ریزساختاری لازم برای ارتقای خودسازماندهی سلولی به مدل‌های اندام سه‌بعدی سلسله مراتبی نشان داده‌اند. در همین راستا در مقاله ای که در Nature Materials منتشر شده است، محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson (SEAS) از توسعه جوهر هیدروژل جدید حاوی الیاف ژلاتین خبر می‌دهند که امکان پرینت سه بعدی از بطن عملکردی قلب را فراهم می‌کند که ضربان‌هایی مانند ضربان را تقلید می‌کند. آنها یک قلب انسانی تولید کردند که با تزریق جوهر ژل و فیبر (FIG) به سلول‌های عضلانی آن قلب (به شکل بطن پرینت شده‌ است)، به بافت اجازه می‌دهد تا با هماهنگی با هم مانند اتاقک قلب انسان هماهنگ شوند.

رفع برخی از نارسایی‌های پرینت سه‌بعدی بافت‌های بیولوژیکی

سوجی چوی، همکار پژوهشی در SEAS و اولین نویسنده مقاله گفت: محققان سعی کرده اند ساختارها و عملکردهای اندام را برای آزمایش ایمنی و اثربخشی دارو به عنوان راهی برای پیش بینی آنچه ممکن است در محیط بالینی رخ دهد، تکرار کنند. اما تاکنون، تکنیک‌های پرینت سه‌بعدی به تنهایی قادر به دستیابی به هم‌ترازی فیزیولوژیکی مرتبط با کاردیومیوسیت‌ها، سلول‌هایی که مسئول انتقال سیگنال‌های الکتریکی به صورت هماهنگ برای انقباض عضله قلب هستند، نبوده است. کوین «کیت» پارکر، پروفسور مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی خانواده تار و رئیس گروه بیوفیزیک بیماری در SEAS و نویسنده ارشد، می‌گوید: «ما این پروژه را برای رفع برخی از نارسایی‌های پرینت سه‌بعدی بافت‌های بیولوژیکی آغاز کردیم.

بکارگیری جوهر FIG در بافت‌های پرینت شده

نوآوری در افزودن الیاف در جوهر قابل پرینت تاکنون انجام نشده بود. چوی می‌گوید: جوهر FIG می‌تواند از طریق نازل پرینت جریان یابد، اما پس از پرینت ساختار، شکل سه بعدی خود را حفظ می‌کند. به دلیل این ویژگی‌ها، دریافتم که می‌توان ساختاری شبیه بطن و سایر اشکال پیچیده سه بعدی را بدون استفاده از مواد یا داربست اضافی پرینت کرد. برای ایجاد جوهر FIG، چوی از یک تکنیک چرخشی جت چرخشی توسعه یافته توسط آزمایشگاه پارکر استفاده کرد که مواد میکروفیبر را با استفاده از رویکردی شبیه به روش چرخش آب نبات پنبه می‌سازد. محقق فوق دکتری، لوک مک کوئین، یکی از نویسندگان مقاله، این ایده را پیشنهاد کرد که الیاف ایجاد شده توسط تکنیک چرخش جت چرخشی را می‌توان به جوهر اضافه کرد و پرینت سه بعدی کرد.

مزیت تولید الیاف با چرخش جت دوار به جای الکتروریسی

پارکر می‌گوید: «وقتی لوک این مفهوم را توسعه داد، چشم‌انداز این بود که طیف مقیاس‌های فضایی را که می‌توان با پرینتگرهای سه‌بعدی پرینت کرد، با حذف قسمت پایین از محدوده‌های پایین‌تر و پایین آوردن آن به مقیاس نانومتری، گسترش داد. "مزیت تولید الیاف با چرخش جت دوار به جای الکتروریسی" – ایجاد روشی مرسوم تر برای تولید الیاف فوق نازک است که در این کار می‌توانیم از پروتئین‌هایی استفاده کنیم که در غیر این صورت توسط میدان‌های الکتریکی در الکتروریسی تجزیه می‌شوند." چوی با استفاده از جت دوار برای چرخاندن الیاف ژلاتین، ورقه ای از مواد با ظاهری شبیه به پنبه تولید کرد. سپس، او از امواج صوتی استفاده کرد تا آن صفحه را به الیافی به طول 80 تا 100 میکرومتر و قطر حدود 5 تا 10 میکرومتر تبدیل کند. سپس، او آن الیاف را در جوهر هیدروژل پراکنده کرد. چوی می‌گوید: "این مفهوم به طور گسترده قابل اجرا است - ما می‌توانیم از تکنیک ریسندگی الیاف خود برای تولید مطمئن الیاف در طول‌ها و شکل‌هایی که می‌خواهیم استفاده کنیم." دشوارترین جنبه، عیب یابی نسبت مورد نظر بین الیاف و هیدروژل در جوهر برای حفظ تراز فیبر و یکپارچگی کلی ساختار پرینت سه بعدی بود.

ایجاد پمپاژ در بطن‌های قلب پرینت شده در جوهر جدید

همانطور که چوی ساختارهای دوبعدی و سه بعدی را با استفاده از جوهر FIG پرینت می‌کرد، کاردیومیوسیت‌ها پشت سر هم با جهت الیاف داخل جوهر قرار گرفتند. با کنترل جهت پرینت، چوی می‌توانست نحوه تراز شدن سلول‌های ماهیچه قلب را کنترل کند. هنگامی که او تحریک الکتریکی را روی ساختارهای پرینت سه بعدی ساخته شده با جوهر FIG اعمال کرد، متوجه شد که موج هماهنگی از انقباضات در راستای جهت آن الیاف را ایجاد می‌کند. چوی می‌گوید: در یک ساختار بطنی شکل، «بسیار هیجان‌انگیز بود که ببینیم محفظه به روشی مشابه پمپاژ بطن‌های قلب واقعی انجام می‌شود.» همانطور که او با جهت‌های پرینت بیشتر و فرمول‌های جوهر آزمایش می‌کرد، متوجه شد که می‌تواند انقباضات قوی تری را در شکل‌های بطن مانند ایجاد کند.

استفاده از این مدل ساده و کوچک شده برای ساخت سایر قسمت‌های قلب

او می گوید: «در مقایسه با قلب واقعی، مدل بطن ما ساده و کوچک شده است. این تیم اکنون در حال کار بر روی ساخت بافت‌های قلبی با دیواره‌های ماهیچه‌ای ضخیم‌تر است که می‌تواند مایع را قوی‌تر پمپاژ کند. بطن پرینت سه بعدی علیرغم اینکه به اندازه بافت واقعی قلب قوی نیست، ولی می‌تواند 5 تا 20 برابر بیشتر از محفظه‌های قلب پرینت شده سه بعدی حجمی از مایع را پمپ کند. این تیم می‌گوید این تکنیک همچنین می‌تواند برای ساخت دریچه‌های قلب، قلب‌های مینیاتوری دو حفره‌ای و غیره استفاده شود.

ساختن بافت‌های انسانی برای درمان‌های احیاکننده

پارکر می‌گوید: FIGs تنها ابزاری هستند که ما برای تولید مواد افزودنی به بافت پرینت شده توسعه داده ایم. ما روش‌های دیگری را در دست توسعه داریم، زیرا به تلاش خود برای ساختن بافت‌های انسانی برای درمان‌های احیاکننده ادامه می‌دهیم. هدف این نیست که ابزار محور باشیم - ما در جستجوی راهی بهتر برای ساختن زیست‌شناسی، و معرفی و تولید ابزاری ناشناس هستیم.

پایان مطلب/.