8 ژوئیه 2022- بیماری قلبی - علت اصلی مرگ و میر در ایالات متحده - بسیار کشنده است تا حدی به این دلیل که قلب، بر خلاف سایر اندام ها، پس از آسیب نمی تواند خود را ترمیم کند. به همین دلیل است که مهندسی بافت، که در نهایت شامل ساخت کل قلب انسان برای پیوند است، برای آینده پزشکی قلب بسیار مهم است.
برای ساختن قلب انسان از پایه، محققان باید تک تک ساختارهای منحصر به فردی که قلب را تشکیل می دهند، بسازند. این شامل بازآفرینی هندسه های مارپیچی است که با ضربان قلب یک حرکت پیچشی ایجاد می کند. مدتهاست که این تئوری مطرح شده است که این حرکت پیچشی برای پمپاژ خون در حجمهای بالا حیاتی است، اما اثبات آن مشکل بوده است، تا حدی به این دلیل که ایجاد قلبهایی با هندسهها و نحوه ی قرار گرفتن سلولهای ماهیچه ای در کنار هم به اشکال مختلف، چالشبرانگیز بوده است.
اکنون، مهندسان زیستی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون(SEAS) ، اولین مدل بیوهیبرید بطنهای انسان را توسعه داده اند که در آن سلولهای ضربان دار قلبی بطور مارپیچی در کنار هم تراز شده اند، این مدل نشان داد که الاینمنت یا صف بندی مارپیچی ماهیچهها، در واقع، به طرز چشمگیری خونی را که بطن می تواند با هر انقباض پمپاژ کند، افزایش میدهد.
این پیشرفت با استفاده از روش جدید تولید افزودنی پارچه، به نام Focused Rotary Jet Spinning یا FRJS، امکان پذیر شد، که امکان ساخت الیاف مارپیچ با قطرهای مختلف از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را فراهم کرده است. الیاف ساخته شده با روش FRJS، که توسط گروه بیوفیزیک بیماری کیت پارکر درSEAS توسعه یافته است، صف بندی سلولی را هدایت می کند و امکان تشکیل ساختارهای مهندسی شده ی بافتی کنترل شده را فراهم می نماید.
این تحقیق در مجله ی Science منتشر شده است.
پرفسور پارکر، استاد مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی درSEAS و نویسنده ارشد مقاله، گفت: این کار یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت بیولوژیک اندام است و ما را به هدف نهایی خود یعنی ساختن قلب کامل انسان برای پیوند نزدیکتر میکند.
این تحقیق بر اساس معمایی چند صد ساله پایه ریزی و انجام شد. در سال 1669، یک پزشک انگلیسی به نامRichard Lower ، برای اولین بار در کتاب خود به نام Tractatus de Corde به آرایش مارپیچ مانند عضلات قلب، اشاره کرد.
در طول سه قرن بعدی، پزشکان و دانشمندان درک جامع تری از ساختار قلب به دست آوردند، اما مطالعات با هدف تولید این ماهیچه های مارپیچی به طرز ناامیدکننده ای دشوار بود.
در سال 1969، ادوارد سالین، رئیس سابق دپارتمان Biomathematics در دانشکده پزشکی دانشگاه آلاباما بیرمنگام، استدلال کرد که صف بندی یا الاینمنت مارپیچی فیبرهای ماهیچه ای قلب برای دستیابی به کسرهای جهشی بزرگ - درصدی از میزان خونی که بطن با هر انقباض پمپاژ می کند-، حیاتی است.
جان زیمرمن، محقق فوق دکترا درSEAS و یکی از نویسندگان اول این مقاله، گفت: هدف ما ساخت مدلی بود که بتوانیم فرضیه سالین را آزمایش کنیم و اهمیت نسبی ساختار مارپیچ قلب را مطالعه نماییم.
برای آزمایش نظریه ی سالین، محققان SEAS از سیستم FRJS برای کنترل صف بندی فیبرهای چرخانده شده استفاده کردند، محققان پس از ساخت مدل مورد نظر خود با صف بندی مارپیچی فیبرها، سلول های قلبی را بر روی فیبرها کاشته و رشد دادند.
مرحله اول FRJS مانند یک دستگاه تولید پشمک عمل می کند - یک محلول پلیمری مایع در یک مخزن بارگذاری می شود که در حین چرخش دستگاه توسط نیروی گریز از مرکز از طریق یک سوراخ کوچک به بیرون رانده می شود. هنگامی که محلول از مخزن خارج می شود، حلال تبخیر می شود و پلیمرها جامد شده و الیاف را تشکیل می دهند. سپس، یک جریان هوای متمرکز، جهت گیری فیبر را هنگامی که روی یک کلکتور رسوب می کند، کنترل می کند. محققان دریافتند که با زاویه دادن و چرخاندن کلکتور، الیاف موجود در جریان در حین چرخش، با تقلید از ساختار مارپیچ ماهیچه های قلب، در یک راستا قرار می گیرند و به دور کلکتور می پیچند.بدین ترتیب، کنار هم قرار گرفتن یا صف بندی الیاف را می توان با تغییر زاویه کلکتور تنظیم کرد.
دکتر Huibin Chang، یکی از همکاران فوق دکتری درSEAS و یکی از نویسندگان اول این مقاله، گفت: قلب انسان در واقع دارای چندین لایه از ماهیچه های مارپیچی با زوایای مختلف است. با FRJS، میتوانیم آن ساختارهای پیچیده را به روشی واقعاً دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی منفرد و حتی چهار محفظهای را بسازیم.
برخلاف چاپ سه بعدی که با کوچکتر شدن ویژگی ها، تولید ساختار مورد نظر با آن کندتر می شود، FRJSمی تواند به سرعت الیاف را در مقیاس یک میکرون -حدود پنجاه برابر کوچکتر از یک تار موی انسان- بچرخاند. وقتی صحبت از ساختن قلب از ابتدا به میان می آید، این قابلیت مهم است. به عنوان مثال کلاژن را در نظر بگیرید، که یک پروتئین ماتریکس خارج سلولی در قلب است و قطر آن نیز یک میکرون است. برای ساخت هر ذره ی کلاژن قلب انسان با این وضوح، از طریق چاپ سه بعدی بیش از 100 سال زمان لازم است. در حالیکهFRJS ، می تواند آن را در یک روز انجام دهد.
سپس، سلولهای کاردیومیوسیت موش صحرایی یا سلولهای کاردیومیوسیت مشتق از سلولهای بنیادی انسان بر روی فیبرهای تولید شده توسط FRJS، کاشته شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین لایه نازک از بافت ضربان دار داربست را پوشانده و نحوه ی قرار گرفتن سلولها در کنار هم از صف بندی الیاف زیر آن پیروی کرده بود و بطن های ضربان دار همان پیچش یا حرکت انقباضی موجود در قلب انسان را تقلید می کردند.
محققان تغییر شکل بطن، سرعت سیگنالدهی الکتریکی و کسر خروجی بطنهای ساختهشده از الیافی با صف بندی مارپیچی را با بطنهایی که از الیافی با صف بندی محیطی ساخته شده بودند، مقایسه کردند. آنها متوجه شدند که از هر نظر، بافتی که به صورت مارپیچ تراز شده است، بهتر از بافت تراز محیطی عمل می کند.
دکتر پارکر، گفت: از سال 2003، گروه ما بر روی درک روابط ساختار وعملکرد قلب، و اینکه چگونه بیماری به طور پاتولوژیک این روابط را به خطر می اندازد، کار کرده است، در این مورد، ما به یک مشاهده هرگز آزمایش نشده در مورد ساختار مارپیچی معماری آرام قلب مراجعه کردیم. خوشبختانه پروفسور سالین بیش از نیم قرن پیش یک پیشبینی نظری منتشر کرده بود و ما توانستیم یک پلتفرم تولیدی جدید بسازیم که ما را قادر ساخت تا فرضیه او را آزمایش کنیم و به این سؤال چند صد ساله پاسخ دهیم.
محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند را میتوان به اندازه ی قلب واقعی انسان و حتی بزرگتر به اندازه قلب نهنگ مینک، ارتقا داد. البته آنها مدلهای بزرگتر را با کاشت سلولها ابداع نکردند زیرا میلیاردها سلول کاردیومیوسیت برای این کار نیاز است.
علاوه بر ساخت زیستی، محققان در حال بررسی کاربردهای دیگر برای پلت فرم FRJS خود، مانند بسته بندی مواد غذایی، هستند.
منبع:
https://www.newswise.com/articles/a-major-step-forward-for-organ-biofabrication