دانشمندان روش جدیدی برای چاپ سه‌بعدی رگ‌های خونی ابداع کردند

به گزارش مجله خبری نگار، پرورش اندام‌های کارآمد انسان در خارج از بدن، «جام مقدس» دیرینه پزشکی پیوند عضو است که همچنان دست‌نیافتنی باقی مانده است. تحقیقات جدید موسسه مهندسی زیستی ویس هاروارد و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان‌ای. پالسون (SEAS) این تلاش را یک گام بزرگ به تکمیل نزدیک‌تر می‌کند.

تیمی از دانشمندان روش جدیدی برای چاپ سه‌بعدی شبکه‌های عروقی ایجاد کرده‌اند که از رگ‌های خونی به هم پیوسته با یک "پوسته" ویژه از سلول‌های ماهیچه صاف و سلول‌های اندوتلیال احاطه‌کننده یک "هسته" توخالی که از طریق آن سیال می‌تواند جریان یابد، تشکیل شده و در بافت قلب انسان جاسازی شده است. این معماری عروقی به دقت از رگ‌های خونی طبیعی تقلید می‌کند و پیشرفت قابل توجهی را در جهت امکان تولید اندام‌های انسانی قابل کاشت نشان می‌دهد. این دستاورد در مجله Advanced Materials منتشر شده است.

پاول استنکی، نویسنده اول مقاله، گفت: «در کار قبلی، ما یک روش جدید چاپ زیستی سه‌بعدی به نام نوشتن قربانی در بافت عملکردی (SWIFT) را برای ایجاد کانال‌های توخالی در یک ماتریکس سلولی زنده توسعه دادیم. در اینجا، با تکیه بر این روش، SWIFT هم‌محور (co-SWIFT) را ارائه می‌دهیم که معماری چندلایه موجود در رگ‌های خونی طبیعی را تکرار می‌کند و تشکیل اندوتلیوم به هم پیوسته را تسهیل کرده و مقاومت آن را در برابر فشار‌های جریان خون داخلی افزایش می‌دهد.»

نوآوری کلیدی توسعه‌یافته توسط این تیم، یک نازل منحصر‌به‌فرد هسته-پوسته با دو کانال سیال قابل کنترل مستقل برای «جوهر» تشکیل‌دهنده رگ‌های چاپ‌شده بود: یک جوهر پوسته کلاژنی و یک جوهر هسته ژلاتینی. محفظه داخلی نازل هسته کمی فراتر از محفظه پوسته بیرون زده است، به طوری که نازل می‌تواند رگ چاپ‌شده قبلی را به طور کامل سوراخ کند تا شبکه‌های به هم پیوسته و شاخه‌دار برای اکسیژن‌رسانی کافی به بافت‌ها و اندام‌های انسانی از طریق پرفیوژن ایجاد کند. اندازه رگ‌ها را می‌توان در حین چاپ با تغییر سرعت چاپ یا سرعت جریان جوهر تغییر داد.

برای اعتبارسنجی روش جدید co-SWIFT، این تیم ابتدا رگ‌های چندلایه خود را در یک ماتریس هیدروژل شفاف و دانه‌ای چاپ کردند. سپس رگ‌ها را در یک ماتریس تازه ایجاد شده به نام uPOROS چاپ کردند که از یک ماده متخلخل مبتنی بر کلاژن ساخته شده است که ساختار فیبری متراکم بافت ماهیچه زنده را تکرار می‌کند. آنها توانستند با موفقیت شبکه‌های عروقی گسترده‌ای را در هر دوی این ماتریس‌های بدون سلول چاپ کنند. پس از چاپ این رگ‌های بیومیمتیک، ماتریس گرم شد که باعث شد کلاژن موجود در ماتریس و جوهر پوسته به هم متصل شوند و جوهر هسته ژلاتینی قربانی ذوب شود و به راحتی قابل جدا شدن باشد و یک شبکه عروقی باز و نفوذپذیر ایجاد شود.

این تیم با حرکت به سمت مواد بیولوژیکی مرتبط‌تر، فرآیند چاپ را با استفاده از جوهر پوسته‌ای که با سلول‌های ماهیچه صاف (SMC) پر شده بود، تکرار کردند. این سلول‌ها لایه بیرونی رگ‌های خونی انسان را تشکیل می‌دهند. پس از ذوب جوهر هسته ژلاتینی، آنها سپس سلول‌های اندوتلیال (EC) را که لایه داخلی رگ‌های خونی انسان را تشکیل می‌دهند، به داخل عروق آنها تزریق کردند. پس از هفت روز تزریق، هم SMC‌ها و هم EC‌ها زنده بودند و به عنوان دیواره رگ عمل می‌کردند - آنها شاهد کاهش سه برابری نفوذپذیری عروق در مقایسه با نمونه‌های بدون SMC بودند.

در نهایت، آنها آماده بودند تا روش خود را درون بافت زنده انسان آزمایش کنند. آنها صد‌ها هزار بلوک سازنده اندام (OBB) - کره‌های کوچکی از سلول‌های ضربان‌دار قلب انسان که در یک ماتریکس سلولی متراکم فشرده شده‌اند - را مهندسی کردند. سپس، با استفاده از co-SWIFT، یک شبکه بیومیمتیک از رگ‌ها را روی بافت قلب چاپ کردند. در نهایت، آنها جوهر هسته قربانی را حذف کردند و داخل رگ‌های مملو از SMC خود را از طریق پرفیوژن با EC کشت دادند و عملکرد آنها را ارزیابی کردند.

این رگ‌های زیست‌تقلیدی چاپ‌شده نه‌تنها ساختار دولایه مشخصه رگ‌های خونی انسان را نشان دادند، بلکه پس از پنج روز تزریق با مایعی که خون را تقلید می‌کرد، OBB‌های قلبی شروع به ضربان هماهنگ کردند که نشان‌دهنده بافت قلبی سالم و عملکردی بود. این بافت‌ها همچنین به دارو‌های قلبی رایج پاسخ دادند - ایزوپروترنول باعث شد آنها سریع‌تر ضربان بزنند، در حالی که بلبیستاتین آنها را متوقف کرد. این تیم حتی مدلی از عروق گسترده شریان کرونری چپ یک بیمار واقعی در OBB را به‌صورت سه‌بعدی چاپ کرد و پتانسیل آن را برای پزشکی شخصی‌سازی‌شده نشان داد.

لوئیس، که همچنین استاد مهندسی زیستی هانسیورگ ویس در SEAS است، گفت: «ما توانستیم با موفقیت مدلی از عروق شریان کرونر چپ را بر اساس داده‌های واقعی بیمار، به صورت سه‌بعدی چاپ کنیم که نشان‌دهنده‌ی کاربرد بالقوه‌ی co-SWIFT برای ایجاد اندام‌های انسانی عروقی مختص بیمار است.»

تیم لوئیس قصد دارد در کار‌های آینده، شبکه‌های مویرگی خودسازمانده ایجاد کند و آنها را با شبکه‌های رگ‌های خونی چاپ سه‌بعدی ادغام کند تا ساختار رگ‌های خونی انسان را در مقیاس میکروسکوپی دقیق‌تر شبیه‌سازی کند و عملکرد بافت‌های رشد یافته در آزمایشگاه را بهبود بخشد.

«دونالد اینگبر»، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «گفتن اینکه ایجاد بافت زنده و کاربردی انسان در آزمایشگاه چالش‌برانگیز است، کم لطفی است. من به عزم و خلاقیتی که این تیم در اثبات توانایی خود در ایجاد رگ‌های خونی بهتر در بافت قلب زنده و تپنده انسان نشان داده است، افتخار می‌کنم. مشتاقانه منتظر موفقیت‌های مستمر آنها هستم، زیرا آنها به دنبال روزی هستند که بافت رشد یافته در آزمایشگاه را به بیماران پیوند بزنند.»