تیمی از محققان دانشگاه کارنگی ملون مقاله ای را در مجله ساینس منتشر کرده اند که جزئیات جدیدی از یک تکنیک جدید را در اختیار قرار می دهد که هر فرد بتواند داربستهای بافتی را از کلاژن ، پروتئین اصلی ساختاری در بدن انسان ، چاپ زیستی سه بعدی بزند. این روشِ در نوع خود اول، رشته مهندسی بافت را یک قدم به آن نزدیکتر می کند تا بتوانید به صورت سه بعدی قلب انسان بالغ و بزرگ را چاپ کنید.
این تکنیک ، که به عنوان جاسازی برگشت پذیر شکل آزاد هیدروژل های معلق (FRESH) شناخته می شود ، به محققان اجازه داده است تا بر بسیاری از چالش های مرتبط با روش های موجود در چاپ زیستی سه بعدی غلبه کنند ، و با استفاده از مواد نرم و زنده به وضوح و وفاداری بی سابقه ای دست پیدا کنند.
هر یک از اعضا در بدن انسان ، مانند قلب ، از سلول های تخصصی ساخته شده است که توسط یک داربست بیولوژیکی به نام ماتریکس خارج سلولی (ECM) در کنار هم قرار می گیرند. این شبکه از پروتئین های ECM ساختار و سیگنال های بیوشیمیایی را که سلول ها برای انجام عملکرد طبیعی خود نیاز دارند ، فراهم می کند. با این حال ، تاکنون بازسازی این معماری پیچیده ECM با استفاده از روش های سنتی تولید بیولوژی امکان پذیر نبوده است.
آدام فاینبرگ ، استاد مهندسی زیست پزشکی (BME) و علوم و مهندسی مواد در کارنگی ملون که آزمایشگاهش این کار را انجام داده است ، می گوید: "آنچه ما نشان داده ایم این است که می توانیم قطعات قلب را از سلولها و کلاژن به قسمتهایی که واقعاً عملکرد دارند مانند یک دریچه قلب یا یک بطن تپنده کوچک چاپ کنیم." "با استفاده از داده های MRI از قلب انسان ، ما توانستیم دقیقاً ساختار آناتومیک اختصاصی بیمار و کلاژن پرینت زیستی سه بعدی و سلول های قلب انسان را بازتولید کنیم."
بیش از 4000 بیمار در ایالات متحده منتظر پیوند قلب هستند ، در حالی که میلیون ها نفر دیگر در سراسر جهان به قلب نیاز دارند اما برای لیست انتظار صلاحیت ندارند. نیاز به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، رویکردهای جدیدی لازم است. فاینبرگ که عضوی از مؤسسه پیش قدمی اندام های مهندسیِ زیستی شده‌ی کارینگ ملون است ، در حال کار برای حل این چالش ها با نسل جدیدی از اندام های مهندسی زیستی شده است که به گونه ای نزدیکتر ساختارهای اندام طبیعی را تکرار کنند.
اندرو هادسون ، دانشجوی دکتری BME در آزمایشگاه فاینبرگ و نویسنده اول همکار در تألیف مقاله، توضیح می دهد: "کلاژن یک ماده بیولوژیکی به شدت مطلوب برای چاپ سه بعدی به وسیله آن است زیرا به معنای واقعی کلمه هر بافت منفرد بدنتان را تشکیل می دهد." "لکن آنچه که چاپ سه بعدی را چنین سخت می کند این است که به صورت یک سیال شروع می شود - بنابراین اگر سعی کنید این را در هوا چاپ کنید ، این فقط یک گودال بر روی سکوی ساخت شما شکل می دهد. بنابراین ما تکنیکی را ایجاد کرده ایم که مانع از این از تغییر شکل می شود. "
روش چاپ زیستی سه بعدیFRESH که در آزمایشگاه فاینبرگ ایجاد شده است ، به کلاژن اجازه می دهد تا لایه به لایه در یک حمام پشتیبانی از ژل ته نشست شود و به کلاژن فرصتی برای جامد شدن در محل قبل از خارج شدن از حمام پشتیبانی می دهد. با استفاده از FRESH ، ژل پشتیبانی را می توان با گرم کردن ژل از دمای اتاق تا دمای بدن پس از اتمام چاپ ، به راحتی ذوب و دور کرد. به این ترتیب محققان می توانند ژل پشتیبانی را بدون آسیب رساندن به ساختار چاپی ساخته شده از کلاژن یا سلول ها مرتفع کنند.
این روش برای رشته چاپ زیستی سه بعدی واقعا هیجان انگیز است زیرا باعث می شود داربست های کلاژن در مقیاس وسیعی از اندام های انسانی چاپ شوند. و این فقط به کلاژن محدود نمی شود ، زیرا طیف گسترده ای از ژل های نرم دیگر از جمله فیبرین ، آلژینات و اسید هیالورونیک با استفاده از تکنیک FRESH می توانند به صورت سه بعدی چاپ زیستی شوند و یک پلت فرم مهندسی بافت قوی و سازگار را فراهم آورند. نیاز به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، رویکردهای جدیدی لازم است. نکته مهم این است که محققان همچنین نقشه هایی با منبع آزاد طراحی کرده اند تا تقریباً هر کسی ، از آزمایشگاه های پزشکی گرفته تا کلاس های علوم دبیرستان ، بتواند به چاپگرهای زیستی ارزان قیمت دارای کارایی بالا دسترسی داشته باشد.
با نگاه به جلو ، FRESH در بسیاری از جنبه های پزشکی احیا کننده کاربرد دارد ، از ترمیم زخم گرفته تا مهندسی زیستی اندام ، اما این تنها یک قطعه از یک زمینه تولید زیستی رو به رشد است. فاینبرگ می گوید: "واقعاً چیزی که ما در مورد آن صحبت می کنیم همگرایی فناوری ها است." "نه تنها آنچه آزمایشگاه من در زمینه چاپ زیستی انجام می دهد ، بلکه همچنین از سایر آزمایشگاه ها و شرکت های کوچک در زمینه علوم سلول های بنیادی ، یادگیری ماشین و شبیه سازی رایانه‌ای و همچنین سخت افزار و نرم افزار جدید چاپ زیستی سه بعدی."
فاینبرگ می افزاید: "درک این نکته مهم است که هنوز سالها تحقیق لازم است در این زمینه انجام شود ، اما همچنان باید این هیجان وجود داشته باشد که ما در حال پیشرفت واقعی در زمینه مهندسی بافت ها و اندام های عملکردی انسانی هستیم و این مقاله یک مرحله در امتداد این مسیر است."
منبع: دانشکده فنی ، دانشگاه کارنگی ملون
این تکنیک ، که به عنوان جاسازی برگشت پذیر شکل آزاد هیدروژل های معلق (FRESH) شناخته می شود ، به محققان اجازه داده است تا بر بسیاری از چالش های مرتبط با روش های موجود در چاپ زیستی سه بعدی غلبه کنند ، و با استفاده از مواد نرم و زنده به وضوح و وفاداری بی سابقه ای دست پیدا کنند.
هر یک از اعضا در بدن انسان ، مانند قلب ، از سلول های تخصصی ساخته شده است که توسط یک داربست بیولوژیکی به نام ماتریکس خارج سلولی (ECM) در کنار هم قرار می گیرند. این شبکه از پروتئین های ECM ساختار و سیگنال های بیوشیمیایی را که سلول ها برای انجام عملکرد طبیعی خود نیاز دارند ، فراهم می کند. با این حال ، تاکنون بازسازی این معماری پیچیده ECM با استفاده از روش های سنتی تولید بیولوژی امکان پذیر نبوده است.
آدام فاینبرگ ، استاد مهندسی زیست پزشکی (BME) و علوم و مهندسی مواد در کارنگی ملون که آزمایشگاهش این کار را انجام داده است ، می گوید: "آنچه ما نشان داده ایم این است که می توانیم قطعات قلب را از سلولها و کلاژن به قسمتهایی که واقعاً عملکرد دارند مانند یک دریچه قلب یا یک بطن تپنده کوچک چاپ کنیم." "با استفاده از داده های MRI از قلب انسان ، ما توانستیم دقیقاً ساختار آناتومیک اختصاصی بیمار و کلاژن پرینت زیستی سه بعدی و سلول های قلب انسان را بازتولید کنیم."
بیش از 4000 بیمار در ایالات متحده منتظر پیوند قلب هستند ، در حالی که میلیون ها نفر دیگر در سراسر جهان به قلب نیاز دارند اما برای لیست انتظار صلاحیت ندارند. نیاز به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، رویکردهای جدیدی لازم است. فاینبرگ که عضوی از مؤسسه پیش قدمی اندام های مهندسیِ زیستی شده‌ی کارینگ ملون است ، در حال کار برای حل این چالش ها با نسل جدیدی از اندام های مهندسی زیستی شده است که به گونه ای نزدیکتر ساختارهای اندام طبیعی را تکرار کنند.
اندرو هادسون ، دانشجوی دکتری BME در آزمایشگاه فاینبرگ و نویسنده اول همکار در تألیف مقاله، توضیح می دهد: "کلاژن یک ماده بیولوژیکی به شدت مطلوب برای چاپ سه بعدی به وسیله آن است زیرا به معنای واقعی کلمه هر بافت منفرد بدنتان را تشکیل می دهد." "لکن آنچه که چاپ سه بعدی را چنین سخت می کند این است که به صورت یک سیال شروع می شود - بنابراین اگر سعی کنید این را در هوا چاپ کنید ، این فقط یک گودال بر روی سکوی ساخت شما شکل می دهد. بنابراین ما تکنیکی را ایجاد کرده ایم که مانع از این از تغییر شکل می شود. "
روش چاپ زیستی سه بعدیFRESH که در آزمایشگاه فاینبرگ ایجاد شده است ، به کلاژن اجازه می دهد تا لایه به لایه در یک حمام پشتیبانی از ژل ته نشست شود و به کلاژن فرصتی برای جامد شدن در محل قبل از خارج شدن از حمام پشتیبانی می دهد. با استفاده از FRESH ، ژل پشتیبانی را می توان با گرم کردن ژل از دمای اتاق تا دمای بدن پس از اتمام چاپ ، به راحتی ذوب و دور کرد. به این ترتیب محققان می توانند ژل پشتیبانی را بدون آسیب رساندن به ساختار چاپی ساخته شده از کلاژن یا سلول ها مرتفع کنند.
این روش برای رشته چاپ زیستی سه بعدی واقعا هیجان انگیز است زیرا باعث می شود داربست های کلاژن در مقیاس وسیعی از اندام های انسانی چاپ شوند. و این فقط به کلاژن محدود نمی شود ، زیرا طیف گسترده ای از ژل های نرم دیگر از جمله فیبرین ، آلژینات و اسید هیالورونیک با استفاده از تکنیک FRESH می توانند به صورت سه بعدی چاپ زیستی شوند و یک پلت فرم مهندسی بافت قوی و سازگار را فراهم آورند. نیاز به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، تکمیل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، رویکردهای جدیدی لازم است. نکته مهم این است که محققان همچنین نقشه هایی با منبع آزاد طراحی کرده اند تا تقریباً هر کسی ، از آزمایشگاه های پزشکی گرفته تا کلاس های علوم دبیرستان ، بتواند به چاپگرهای زیستی ارزان قیمت دارای کارایی بالا دسترسی داشته باشد.
با نگاه به جلو ، FRESH در بسیاری از جنبه های پزشکی احیا کننده کاربرد دارد ، از ترمیم زخم گرفته تا مهندسی زیستی اندام ، اما این تنها یک قطعه از یک زمینه تولید زیستی رو به رشد است. فاینبرگ می گوید: "واقعاً چیزی که ما در مورد آن صحبت می کنیم همگرایی فناوری ها است." "نه تنها آنچه آزمایشگاه من در زمینه چاپ زیستی انجام می دهد ، بلکه همچنین از سایر آزمایشگاه ها و شرکت های کوچک در زمینه علوم سلول های بنیادی ، یادگیری ماشین و شبیه سازی رایانه‌ای و همچنین سخت افزار و نرم افزار جدید چاپ زیستی سه بعدی."
فاینبرگ می افزاید: "درک این نکته مهم است که هنوز سالها تحقیق لازم است در این زمینه انجام شود ، اما همچنان باید این هیجان وجود داشته باشد که ما در حال پیشرفت واقعی در زمینه مهندسی بافت ها و اندام های عملکردی انسانی هستیم و این مقاله یک مرحله در امتداد این مسیر است."
منبع: دانشکده فنی ، دانشگاه کارنگی ملون
