یادداشت
طراحی رگهای خونی برای قلبهای سهبعدی چاپ شده
پژوهشگران روشی سریعتر و دقیقتر برای طراحی و چاپ سیستمهای عروقی توسعه دادهاند، که یک چالش اساسی در ساخت اندامهای قابل پیوند از سلولهای خود بیماران را حل میکند.
امتیاز:
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در ایالات متحده، بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ نفر در لیست انتظار پیوند عضو هستند؛ برخی از آنها ممکن است سالها منتظر بمانند – و برخی ممکن است هرگز به زمان پیوند نرسند. حتی اگر عضو مناسبی یافت شود، احتمال دارد که بدن بیمار آن را پس بزند. برای کوتاه کردن زمان انتظار و کاهش احتمال رد پیوند، پژوهشگران در حوزه پزشکی بازساختی در حال توسعه روشهایی هستند تا بتوانند اندامهایی مانند قلب، کلیه، کبد و سایر اعضا را با استفاده از سلولهای خود بیمار تولید کنند. رسیدن اکسیژن و مواد مغذی به تمام بخشهای یک اندام تازه ساختهشده، هنوز یک چالش مهم است. پژوهشگران در دانشگاه استنفورد ابزارهای جدیدی برای طراحی و چاپ سهبعدی ساختارهای پیچیده عروقی ایجاد کردهاند که قادر به حمل خون در سراسر اندام هستند. این پلتفرم، که در تاریخ ۱۲ ژوئن در نشریه Science منتشر شد، طراحیهایی تولید میکند که شباهت زیادی به سیستمهای طبیعی بدن دارند و با سرعتی بسیار بالاتر از روشهای پیشین، آنها را به دستورالعملهایی برای چاپگر سهبعدی تبدیل میکند. دکتر آلیسون مارسدن، استاد بیماریهای قلبی و عروقی در دانشگاه استنفورد، میگوید:«توانایی گسترش بافتهای زیستی چاپشده، در حال حاضر با توان ما در ایجاد رگهای خونی برای آنها محدود شده است – شما نمیتوانید این بافتها را بزرگ کنید، بدون اینکه خونرسانی مناسبی برای آنها فراهم کنید.» «ما توانستیم الگوریتم تولید ساختارهای عروقی را حدود ۲۰۰ برابر سریعتر از روشهای قبلی اجرا کنیم و آن را برای اشکال پیچیده مانند اندامها نیز قابل استفاده کردیم.
رگرسانی در مقیاس اندام
در بدن، خون از طریق شریانهای بزرگ به اندامها میرسد و سپس به رگهای کوچکتر و شاخهدار تقسیم میشود تا بتواند با بافتهای اطراف تبادل اکسیژن و مواد مغذی داشته باشد. در بیشتر بافتها، سلولها باید در فاصلهای حدود ضخامت یک تار مو از یک رگ خونی باشند تا زنده بمانند؛ اما در بافتهای با متابولیسم بالا مثل قلب، این فاصله حتی کمتر ویا بیش از ۲۵۰۰ مویرگ در هر مکعب میلیمتری است. این شبکههای عروقی استاندارد نیستند؛ اندامها اشکال مختلفی دارند و حتی دو قلب با اندازه مشابه هم میتوانند ساختار متفاوتی داشته باشند. تا امروز، تولید مدل واقعگرایانهای از یک شبکه عروقی که به یک اندام خاص و پیچیده بخورد، بسیار دشوار و زمانبر بوده است. بیشتر محققان از الگوهای شبکهای استاندارد استفاده کردهاند که برای مدلهای بافتی کوچک مناسب هستند ولی برای مقیاسهای بزرگ ناکارآمدند.
پروژه متنباز SimVascular
تیم دکتر مارسدن الگوریتمی طراحی کردهاند که درختهای عروقیای تولید میکند که از نظر ساختار شباهت زیادی به رگهای بدن دارند و نرمافزار آن را از طریق پروژه متنباز SimVascular در دسترس عموم قرار دادهاند. این الگوریتم از شبیهسازی دینامیک سیالات برای توزیع یکنواخت خون استفاده کرده و زمان تولید شبکه را کاهش داده، در حالی که از برخورد رگها با یکدیگر جلوگیری میکند و یک سیستم بسته با تنها یک ورودی و یک خروجی ایجاد میکند. زک سِکستون، پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه مارسدن و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، میگوید:«تولید مدل کامپیوتری از یک درخت عروقی برای قلب انسان حدود ۵ ساعت طول کشید. ما توانستیم به تراکمی برسیم که هر سلول در مدل حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میکرون از نزدیکترین رگ فاصله داشته باشد – که بسیار خوب است. این طراحی شامل یک میلیون رگ بود و با الگوریتمهای قبلی ممکن بود ماهها طول بکشد.»
آزمودن چاپ و زنده نگهداشتن سلولها
اگرچه چاپگرهای زیستی هنوز قادر به چاپ شبکههایی با آن میزان ظرافت و تراکم نیستند، پژوهشگران موفق شدند مدلی با ۵۰۰ شاخه عروقی طراحی و چاپ کنند. همچنین نسخه سادهتری را آزمایش کردند تا مطمئن شوند که میتواند سلولها را زنده نگه دارد. با استفاده از چاپگر زیستی – که به جای رزین یا فلز، با سلولهای زنده چاپ میکند – یک حلقه ضخیم حاوی سلولهای کلیه انسان چاپ کردند و شبکهای شامل ۲۵ رگ در آن ساختند. سپس مایعی پر از اکسیژن و مواد مغذی از درون آن عبور دادند و توانستند تعداد زیادی از سلولها را در مجاورت رگها زنده نگه دارند. مارک اسکایلار-اسکات، استاد مهندسی زیستی و نویسنده ارشد مقاله، میگوید: «ما نشان دادیم که این رگها قابل طراحی، چاپ و قادر به زنده نگهداشتن سلولها هستند. ما میدانیم که هنوز کارهایی برای افزایش سرعت چاپ باقی مانده، اما حالا یک مسیر مشخص برای تولید درختهای عروقی داریم و میتوانیم دستورالعمل چاپ آنها را تهیه کنیم.»
قلبی چاپشده با سلولهای زنده
پژوهشگران تأکید دارند که این رگهای چاپشده هنوز رگهای خونی واقعی نیستند – آنها فقط کانالهایی درون یک ماتریس سهبعدی هستند و هنوز فاقد سلولهای عضلانی، سلولهای اندوتلیال، فیبروبلاستها و سایر عناصر مورد نیاز برای عملکرد واقعی هستند.دومینیک روچه، یکی دیگر از نویسندگان اصلی مقاله، میگوید: «این اولین گام در جهت ایجاد شبکههای عروقی بسیار پیچیده است. ما میتوانیم آنها را با پیچیدگیهایی بیسابقه چاپ کنیم، اما هنوز به طور کامل فیزیولوژیک نیستند. روی آن کار میکنیم.» ساخت این رگها فقط یکی از بخشهای مورد نیاز برای چاپ یک قلب انسان واقعی است. اسکایلار-اسکات و تیمش همچنین در حال بررسی چگونگی تحریک رشد مویرگهایی هستند که آنقدر کوچکاند که قابل چاپ نیستند، و نیز بهبود دقت و سرعت چاپگرهای زیستی و تولید انبوه سلولهایی که برای چاپ یک قلب کامل نیاز دارند. اسکایلار-اسکات میگوید: این یک گام حیاتی در این فرآیند است. ما با موفقیت به تعداد کافی از سلولهای قلبی انسان از سلولهای بنیادی دست یافتهایم تا یک قلب کامل چاپ کنیم، و حالا میتوانیم درخت عروقی مناسبی طراحی کنیم که آن را تغذیه کند و زنده نگه دارد. اکنون فعالانه در حال ترکیب این دو هستیم: سلولها و رگها، در مقیاس اندام.»
پایان مطلب/.