یک گام رو به جلو برای ساخت بیولوژیک اندام

(دکتر مریم اسلامی)

محققان با بازسازی ساختار مارپیچ ماهیچه های قلب، درک چگونگی ضربان قلب را بهبود می بخشند.

(کمبریج، ماساچوست) – بیماری قلبی – علت اصلی مرگ و میر در ایاالت متحده – تا حدی بسیار کشنده است زیرا قلب، بر خالف سایر اندام ها، پس از آسیب نمی تواند خود را ترمیم کند. به همین دلیل است که مهندسی بافت، که در نهایت شامل ساخت عمده کل قلب انسان برای پیوند است، برای آینده پزشکی قلب بسیار مهم است.

برای ساختن قلب انسان از پایه، محققان باید ساختارهای منحصربه فردی را که قلب را تشکیل می دهند، تکرار کنند. این شامل بازآفرینی هندسه های مارپیچ است که با ضربان قلب یک حرکت پیچشی ایجاد می کند. مدت هاست که این تئوری مطرح شده است که این حرکت پیچشی برای پمپاژ خون در حجم های بالا حیاتی است، اما اثبات آن دشوار بوده است، تا حدی به این دلیل که ایجاد قلبهایی با هندسه ها و ترازهای مختلف چالش برانگیز بوده است.

اکنون، مهندسان زیستی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پالسون ) SEAS (و موسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss در دانشگاه هاروارد، اولین مدل بیوهیبرید بطنهای انسانی با سلولهای ضربان قلب را به صورت مارپیچی توسعه داده اند و نشان داده اند که هم ترازی عضلانی، در واقع، میزان خونی را که بطن می تواند با هر انقباض پمپاژ کند، به طور چشمگیری افزایش می دهد.

این پیشرفت با استفاده از روش جدید تولید پارچه افزودنی، چرخش جت چرخشی متمرکز (FRJS) امکان پذیر شد، که امکان ساخت الیاف مارپیچ با قطرهای مختلف از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را فراهم کرد. الیاف FRJS که توسط گروه بیوفیزیک بیماری کیت پارکر در SEAS توسعه یافته است، همراستایی سلولی را هدایت می کند و امکان تشکیل ساختارهای مهندسی بافت کنترل شده را فراهم می کند. این کار یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت بیولوژیک اندام است و ما را به هدف نهایی خود یعنی ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیکتر می کند.

پارکر، .Ph.D، استاد مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی خانواده تار در SEAS، عضو هیئت علمی گفت: «این کار یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت بیولوژیک اندام است و ما را به هدف نهایی خود یعنی ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیکتر میکند. در موسسه Wyss و نویسنده ارشد مقاله.

حل یک معمای 300 ساله

این اثر ریشه در معمایی چند صد ساله دارد. در سال 9661، پزشک انگلیسی ریچارد لور – مردی که جان الک را در میان همکارانش و شاه چارلز دوم را در میان بیمارانش به حساب می آورد – برای اولین بار در اثر اصلی خود Corde de Tractatus به آرایش مارپیچ مانند عضالت قلب اشاره کرد. در طول سه قرن آینده، پزشکان و دانشمندان درک جامع تری از ساختار قلب به دست آورده اند، اما مطالعه هدف این ماهیچه های مارپیچی به طرز ناامیدکننده ای دشوار بوده است.

در سال 9161، ادوارد سالین، رئیس سابق دپارتمان بیوماتاتیک در دانشکده پزشکی دانشگاه آالباما بیرمنگام، استدلال کرد که هم ترازی مارپیچ قلب برای دستیابی به کسرهای جهشی بزرگ – درصدی از میزان خونی که بطن با هر انقباض پمپاژ می کند، حیاتی است. جان زیمرمن، دکترای فوق دکترا در SEAS و نویسنده اول مقاله، گفت: هدف ما ایجاد مدلی بود که بتوانیم فرضیه سالین را آزمایش کنیم و اهمیت نسبی ساختار مارپیچ قلب را مطالعه کنیم. برای آزمایش نظریه سالین، محققان SEAS از سیستم FRJS برای کنترل تراز فیبرهای چرخانده شده استفاده کردند که بر روی آنها می توانند سلول های قلبی را رشد دهند.

مرحله اول FRJS مانند یک دستگاه آب نبات پنبه ای عمل می کند – یک محلول پلیمری مایع در یک مخزن بارگذاری می شود و 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 می شوند 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. این تیم دریافتند که با زاویه دادن و چرخاندن کلکتور، الیاف موجود در جریان در حین چرخش گردآورنده، با تقلید از ساختار مارپیچ ماهیچه های قلب، در یک راستا قرار می گیرند و به دور کلکتور می پیچند. تراز الیاف را می توان با تغییر زاویه کلکتور تنظیم کرد.

Chang Huibin، دکترای فوق دکترا در SEAS و نویسنده اول مقاله، می گوید: قلب انسان در واقع دارای چندین الیه از ماهیچه های مارپیچی با زوایای مختلف تراز است. با FRJS، میتوانیم آن ساختارهای پیچیده را به روشی واقعاً دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی منفرد و حتی چهار محفظهای را تشکیل دهیم.

برخالف چاپ سه بعدی که با کوچکتر شدن ویژگی ها کندتر می شود، FRJS می تواند به سرعت الیاف را در مقیاس تک میکرون بچرخاند – یا حدود پنجاه برابر کوچکتر از یک تار موی انسان. وقتی صحبت از ساختن قلب از ابتدا به میان می آید، این مهم است. به عنوان مثال کالژن را در نظر بگیرید، یک پروتئین ماتریکس خارج سلولی در قلب، که قطر آن نیز یک میکرون است. بیش از 933 سال طول می کشد تا هر ذره کالژن در قلب انسان با این وضوح چاپ سه بعدی شود. FRJS می تواند آن را در یک روز انجام دهد.

پس از چرخش، بطنها با سلولهای کاردیومیوسیت موش صحرایی یا سلولهای قلبی مشتق از سلولهای بنیادی انسان کاشته شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین الیه نازک از بافت کوبنده داربست را پوشانده و سلولها از هم ترازی الیاف زیر آن پیروی میکنند. بطن های تپنده همان حرکت پیچشی یا انقباضی موجود در قلب انسان را تقلید می کردند. محققان تغییر شکل بطن، سرعت سیگنالدهی الکتریکی و کسر جهشی را بین بطنهای ساخته شده از الیاف همتراز مارپیچی و بطنهایی که از الیاف همتراز محیطی ساخته شده اند، مقایسه کردند. آنها متوجه شدند که در هر جبهه، بافتی که به صورت مارپیچ تراز شده است، بهتر از بافت تراز محیطی است.

پارکر گفت: “از سال 2003، گروه ما برای درک روابط ساختار-عملکرد قلب، و اینکه چگونه بیماری از نظر آسیب شناختی 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 کرد و ما توانستیم یک پلتفرم تولیدی جدید بسازیم که ما را قادر می سازد تا فرضیه او را آزمایش کرده و به این سؤال چند صد ساله بپردازیم. پارکر در واقع قبل از سالین به مرکز پزشکی دانشگاه آلاباما رسید. پارکر در آنجا متولد شد و سالین چند ماه بعد به دانشکده پزشکی UAB پیوست.

این تیم همچنین نشان داد که این فرآیند را می توان به اندازه قلب واقعی انسان و حتی بزرگتر به اندازه قلب نهنگ مینک (آنها مدلهای بزرگتر را با سلولها ابداع نکردند زیرا میلیاردها سلول کاردیومیوسیت نیاز دارد). علاوه بر ساخت زیستی، این تیم همچنین کاربردهای دیگری را برای پلت فرم FRJS خود، مانند بسته بندی مواد غذایی، بررسی می کند.

/https://wyss.harvard.edu/news/a-major-step-forward-for-organ-biofabrication