همه چیز درباره چاپ سه بعدی اندام های بدن؛
آیا روزی میتوان عضو پیوندی را چاپ کرد؟
به گزارش دیجیتالر جان هزاران نفر وابسته به دریافت عضو پیوندی اهدایی است و چاپ اعضای بدن با چاپگر سه بعدی می تواند نجات بخش آنها باشد اما آیا چنین کاری ممکن است؟
به گزارش دیجیتالر به نقل از ایسنا، سالانه تعداد زیادی از افراد در سرتاسر جهان جان خویش را در صف دریافت عضو اهدایی از دست می دهند و حدود هر ۹ تا ۱۰ دقیقه یک مرتبه یک نفر به این صف طولانی اضافه می شود. رسیدگی به این مورد نیازمند پیش گرفتن نگاهی جدید است. ازاین رو محققان به فکر ساخت اعضای بدن با استفاده از چاپگرهای سه بعدی و ایجاد اندام ها در آزمایشگاه افتاده اند. در ادامه به چگونگی انجام این کار، مزایا، معایب و چالش های آن می پردازیم.
آینده ای را تصور کنید که بیمار بدون احتیاج به منتظر ماندن برای پیدا شدن فردی مناسب برای اهدا، به سادگی با استفاده از سلول های خود یک اندام را چاپ می کند. این فناوری که "چاپ زیستی" (bioprinting) نام دارد هدف اصلی تحقیقات دکتر کریستف مارکت(christophe marquet)، مدیر مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه در دانشگاه لیون است.
چاپ زیستی به معنای چاپ بافت زنده با استفاده از سلول است و هدف از آن ایجاد بافت های زنده برای پیوند یا بافت های خاص برای تحقیقات است. چاپگر زیستی مانند چاپگرهای سه بعدی معمولی کار می کند یعنی از یک طرح دیجیتال برای ساخت یک شی به صورت لایه به لایه استفاده می نماید. تنها تفاوت آن در نوع جوهری است که مورد استفاده قرار می دهد. برخلاف پرینترهای سه بعدی رایج، جوهر چاپگرهای زیستی از پلاستیک، پودر یا فلز ساخته نشده و در آن از "جوهر زیستی" استفاده می شود که نوعی ژل حاوی سلول های زنده است.
برخلاف پرینترهای سه بعدی رایج، جوهر چاپگرهای زیستی از پلاستیک، پودر یا فلز ساخته نشده و در آن از "جوهر زیستی" استفاده می شود که نوعی ژل حاوی سلول های زنده است.
دکتر "مارکت" می گوید: ما تا به امروز موفق به ساخت چندین غضروف شده ایم و درحال کار بر روی ریه هستیم. بعضی از محققان هم بر سایر اندام ها مانند کبد، کلیه و قلب هستند.
چاپ سه بعدی را میتوان به چهار دسته تقسیم کرد
چاپ زیستی مبتنی بر جوهرافشان، چاپ زیستی به کمک فشار، چاپ زیستی با کمک لیزر و استریولیتوگرافی.
چاپ زیستی مبتنی بر جوهرافشان مانند پرینترهای معمولی کار می کند اما جوهر زیستی به جای کاغذ روی یک بستر هیدروژل یا ظرف کشت چاپ می شود.
در چاپ زیستی با کمک فشار مواد زیستی که بیشتر ظاهری خمیری دارند از دهانه یک نازل در مقیاس میکروسکوپی یا میکروسوزنی خارج شده و بر روی یک بستر ثابت فرو می ریزد و لایه بندی می شود تا ساختار سه بعدی مورد نظر تشکیل گردد.
در چاپ زیستی به کمک لیزر، از لیزر بعنوان منبع انرژی برای قرار دادن مواد زیستی روی یک بستر استفاده می شود در حالیکه در استریولیتوگرافی از یک مایع پلیمری استفاده می شود که وقتی تحت تابش اشعه ماورابنفش قرار می گیرد تبدیل به ساختاری جامد می شود.
تاریخچه چاپگرهای سه بعدی
ساخت چاپگرهای سه بعدی به دهه ۱۹۸۰ برمی گردد، زمانی که چارلز هال، یک مهندس آمریکایی نخستین چاپگر سه بعدی را ساخت که می توانست اجسام جامد را با طراحی به کمک رایانه(CAD) ساخت.
این چاپگر لایه های متوالی از یک فتوپلیمر مبتنی بر اکلریک را روی یک سطح قرار می داد و سپس این لایه ها توسط نور فرابنفش به یکدیگر متصل می شدند و شی جامدی ساخته می شد.
این فناوری ساده، صنعت تولید مواد را متحول کرد. به تدریج در اواخر دهه ۱۹۹۰ چاپ سه بعدی پا به عرصه مراقبت های درمانی گذاشت و جراحان آغاز به چاپ سه بعدی ایمپلنت های دندان، پروتزهای سفارشی و مثانه کردند. اصطلاح چاپ زیستی زمانی بوجود آمد که به ماده ی درحال چاپ، نام "جوهر زیستی" دادند. این ماده حاوی مواد زیستی، سلول های زنده یا مولکول های زیستی فعال بود.
باید تصریح کرد که کاربرد چاپگرهای سه بعدی تنها به چاپ اندام های بدن محدود نمی گردد و از آن در ساخت دارو، مطالعه مکانیسم های بیماری یا ایجاد داروهای شخصی سازی شده هم میتوان بهره برد.
چاپ زیستی چگونه عمل می کند؟
به نقل از دکتر "مارکت"، در فرایند چاپ سه بعدی یک چاپگر و جوهر دخیل است که در مورد چاپگرهای زیستی یک جوهر زیستی وجود دارد. ایده آن است که چندین سلول از بیمار گرفته شود و این سلول ها درون جوهر زیستی قرار می گیرند. ازاین رو جوهر زیستی باید بتواند به خوبی میزبان سلول ها باشد و آنها را زنده نگه دارد.
به نقل از دکتر "مارکت"، در فرایند چاپ سه بعدی یک چاپگر و جوهر دخیل است که در مورد چاپگرهای زیستی یک جوهر زیستی وجود دارد.
سلول ها به اکسیژن، قند و مواد دیگر نیاز دارند. این جوهر زیستی ظاهری شبیه به ژل های مو دارد و از حجم زیادی از آب و مقادیر کمی از آن چه ما "ماده زیستی" می نامیم ساخته شده است. این ماده از پروتئین و موادی مشابه آن ایجاد می شود.
این مواد بوسیله چاپگر سه بعدی روی سطح مورد نظر قرار می گیرند تا اندام یا بافت را بسازند. اندام ها و بافت های مختلفی را با این روش میتوان ایجاد کرد که در ادامه به چند مورد از آنها اشاره می نماییم.
پوست
راهی برای درمان بیماران سوانح سوختگی
دکتر "مارکت" و همکارانش هم اکنون بر روی پروژه ای به نام "BLOC-PRINT" کار می کنند و ارتش فرانسه هم با آنها همکاری می کند. هدف آنها بازسازی پوست قربانیان سوختگی با استفاده از چاپ زیستی به صورت مستقیم و در لحظه در اتاق عمل است.
گزینه های درمانی در این مورد بسیار محدود است. اگر سوختگی بیمار بیشتر از ۷۰ درصد باشد، پوست سالم کافی برای پیوند زدن وجود نخواهد داشت. باآنکه پوست های آزمایشگاهی مصنوعی وجود دارند اما آنها تنها لایه خارجی پوست را بازسازی می کنند و در بعضی عناصر کاربردی اساسی گرفتار کمبود هستند و احتمال باقی ماندن جای زخم را می افزایند.
روشی که گروه "مارکت" درحال توسعه آن هستند نیازمند نمونه برداری از سلول های پوست بیمار و افزودن آن به جوهر زیستی است.
"مارکت" در این مورد توضیح می دهد: هدف ما چاپ زیستی پوست به صورت مستقیم روی بیمار است و ما می خواهیم این کار را مستقیما در اتاق عمل انجام دهیم.
"مارکت" می گوید: هدف ما چاپ زیستی پوست به صورت مستقیم روی بیمار است و ما می خواهیم این کار را مستقیما در اتاق عمل انجام دهیم.
ما نمونه هایی از سلول پوست فرد برمی داریم و آنرا به جوهر زیستی وارد می نماییم و سپس یک دست رباتیک در این جا به ما کمک خواهد نمود. این دست رباتیک بالا و پایین می رود و ژل را روی پوست فرد قرار می دهد. خود فرد بعنوان ماشین پخت برای پوست عمل می کند به این صورت که آنها به رشد سلول ها کمک می کنند. ازاین رو شما پوست را چاپ می کنید و منتظر می مانید تا بازسازی شود. این کار پیوند زدن نیست. بعد از دو هفته یک پوست کاملا بازسازی شده خواهید داشت.
در چنین روشی نیازی به برداشتن بخش زیادی از پوست سالم برای پیوند به بخش های صدمه دیده نیست و تکه ای از پوست که تنها ۱۰ درصد اندازه ی سوختگی است می تواند برای رشد سلول های کافی برای چاپ سه بعدی مورد استفاده قرار بگیرد. از یک اسکنر هم میتوان برای تعیین اندازه و عمق زخم استفاده نمود. با پیشرفت در این عرصه، محققان می خواهند بدانند که آیا میتوان از سلول های بنیادی مایع آمنیوتیک و جفت برای ترمیم زخم ها بهره برد یا خیر.
"مارکت" باور دارد که این فناوری طی ۱۰ سال آینده به صورت کامل توسعه می یابد و در بیمارستان ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
محققان دانشکده پزشکی "ویک فارست"(Wake Forest) هم موفق به ساخت نمونه اولیه چاپگری شده اند که می تواند سلول های پوست را مستقیما بر روی محل سوختگی چاپ کند. علاوه بر آن محققان موسسه "پلی تکنیک رنسلیر"، نیویورک هم با استفاده از ترکیب دو جوهر زیستی، پیوندهای پوستی دارای عروق را پرورش دادند. این پوست ها تابحال تنها به موش های دارای نقص ایمنی پیوند زده شده اند اما میتوان از آنها برای جایگزین کردن پیوندهای پوستی بهره برد.
چاپ استخوان
محققان دانشگاه سوانسی(Swansea) در بریتانیا با استفاده از مواد زیستی با دوام و احیاکننده یک فرایند چاپ زیستی برای ساخت ماده بین سلولی بافت استخوان مصنوعی(ماتریس استخوان) ایجاد کردند.
هم اکنون برای شکستگی های شدید استخوان، پیوند استخوان و جایگزین کردن استخوان های از دست رفته یا صدمه دیده از مواد مصنوعی مبتنی بر سیمان استفاده می شود که اغلب یکپارچگی مکانیکی مناسبی ندارند و مانع از تشکیل بافت می شوند. این در شرایطی است که استخوان های ساخته شده با چاپگر زیستی می تواند به حل این معایب کمک نماید.
محققان دانشگاه نیو ساوت ولز(New South Wales) در سیدنی استرالیا دست به ساخت فرایند جدیدی زده اند که میتوان از آن درون بدن انسان استفاده نمود. این فرایند درد را می کاهد و زمان بهبودی را تسریع می کند.
محققان دانشگاه نیو ساوت ولز(New South Wales) در سیدنی استرالیا دست به ساخت فرایند جدیدی زده اند که میتوان از آن درون بدن انسان استفاده نمود. این فرایند درد را می کاهد و زمان بهبودی را تسریع می کند.
درمان سرطان استخوان امکان دارد به برداشتن بخش هایی از استخوان منجر شود و قربانیان تصادفات هم امکان دارد به ترمیم گسترده استخوان نیازمند باشند. با این روش جدید میتوان بافت استخوان را دقیقا در طول عمل جراحی ایجاد و بهره برد.
با ترکیب یک ماده سرامیکی که ساختار استخوان را شبیه سازی می کند و سلول های خود بیمار، میتوان یک جوهر زیستی ایجاد کرد و دانشمندان به راهی دست یافته اند که میتوان این ماده استخوانی جدید را در داخل بدن ایجاد کرد.
به نقل از "کریستوفر کیلیان"(Kristopher Kilian)، اگر در طول جراحی بخشی از استخوان بیمار برداشته شود میتوان آن استخوان را اسکن کرد و به صورت مستقیم حفره بوجود آمده را با چاپگر سه بعدی پر کرد.
برخلاف روش های قبلی که در آن چاپگرها قادر به کار در دمای اتاق نبودند و برای ضدعفونی کردن مواد استخوانی جدید احتیاج به مواد شیمیایی بود، این چاپگر سبک و قابل حمل است و میتوان آنرا به اتاق عمل برد.
علاوه بر درمان بیماران، از استخوان های مصنوعی میتوان برای مدل سازی بیماری های استخوان و نظارت بر داروها هم بهره برد.
قلب
گروهی از دانشمندان دانشگاه تل آویو با استفاده از سلول های چربی از یک اهدا کننده موفق به چاپ یک قلب کامل با عروق شدند. سلول های چربی کشت شده و برای تبدیل شدن به سلول های قلب باردیگر برنامه ریزی شدند. کل ساختار قلب با تمام سلول ها، رگ های خونی و بطن ها ساخته شد. این ساختار برپایه تصاویر گرفته شده از قلب اهداکننده بوجود آمد.
این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد. قلبی که محققان بوجود آورده اند به اندازه قلب یک خرگوش است و قادر به پمپ کردن خون نیست. آنها امیدوارند زمانی که این قلب ها قادر به تپش و پمپ خون شدند بتوان آنرا بر روی حیوانات آزمایش کرد.
ترمیم اعصاب
حدودا سالانه حدود ۲۲.۶ میلیون بیمار در سرتاسر جهان به جراحی مغز و اعصاب نیاز پیدا می کنند. این صدمه ها در درجه اول ناشی از حوادثی مانند تصادفات رانندگی، آسیب دیدن در محل کار و زایمان است.
روش های کنونی جراحی به جراحان این امکان را می دهد تا پایانه های عصبی را بار دیگر سازمان دهی کنند و رشد اعصاب را بهبود بخشند، با این وجود بهبود سیستم عصبی صدمه دیده تضمین نمی گردد و عملکردهای طبیعی فرد حدودا هیچوقت به صورت کامل باز نمی گردد.
مطالعه بر روی موش ها نشان داده که اگر صدمه بیشتر از دو سانتی متر از اعصاب را از بین ببرد، این شکاف نمی تواند به درستی پر شود و این مورد امکان دارد منجر به از دست دادن عملکرد یا حس عضلات شود. در این شرایط استفاده از یک داربست برای برقرار کردن ارتباط بین دو عصب صدمه دیده اهمیت زیادی دارد.
چاپگر سه بعدی می تواند به ساخت ساختارهای متخلخل که از سلول های عصبی بیمار و یک ماده زیستی ساخته شده است کمک نماید تا بین اعصاب صدمه دیده ارتباط برقرار شود. محققان از ماده ای مشتق شده از جلبک در این مطالعه استفاده کردند چونکه بدن انسان این ماده را پس نمی زند. باآنکه این روش هنوز روی انسان ها آزمایش نشده است اما این پتانسیل را دارد که به بیماران کمک نماید.
کلیه و مثانه
حدود دو ماه طول می کشد که یک کلیه چاپ شده، رشد کند. این درحالی است که این زمان برای مثانه کوتاه تر است. مثانه که یکی از اعضای بسیار ساده بدن است تنها دو نوع سلول دارد. در مقابل کلیه ۲۰ نوع سلول دارد که همه ی آنها باید بازتولید شوند و بتوانند عملکرد کلیه را انجام دهند.
برای چاپ کلیه باید یک داربست زیست تخریب پذیر ساخت و سلول ها را روی آن چاپ کرد. سپس این سلول ها درون یک میکروژل رشد می کنند. باید اطمینان حاصل کرد که این سلول ها مواد مغذی مورد نیاز برای ساخت سلول های بافت سالم را دریافت می کنند و در نهایت بافت بالغ درون بدن بیمار قرار داده می شود. درون بدن بیمار و مدت کوتاهی بعد از جراحی داربست ها از بین می روند و به صورت طبیعی دفع می شوند. شرکتهای بیوتکنولوژی تلاش می کنند که از سلول های بنیادی خود فرد بعنوان جوهر استفاده کنند. این کار خطر پس زده شدن بافت را می کاهد.
شرکت بیوتکنولوژی "CollPlant" بر روی کلیه های قابل چاپ کار می کند و در تلاش است تا احتیاج به پیوند کلیه در آینده را کم کند. کلیه های چاپ سه بعدی شده کوچک هم ساخته شده اند که برای آزمایش داروها مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
شرکت بیوتکنولوژی "CollPlant" بر روی کلیه های قابل چاپ کار می کند و در تلاش است تا احتیاج به پیوند کلیه در آینده را کم کند.
به نظر می آید دستکم ۵۰ سال دیگر طول بکشد تا این کلیه ها به طور گسترده در دسترس قرار بگیرند. توسعه چاپ سه بعدی در حوزه پزشکی هنوز در مراحل اولیه قرار دارد اما این مورد از هیجان آن کم نمی کند.
ریه
محققان دانشگاه علم و فناوری پوهانگ(POSTECH) در کره جنوبی موفق به ایجاد یک مدل سه بعدی از ریه شده اند که دارای انواعی از سلول های آلوئولی بوده و با استفاده از چاپ زیستی جوهرافشان ساخته شده است.
آلوئول ها یا کیسه ی هوایی(alveolus) ساختارهای کیسه مانندی به قطر حدود ۲۰۰ میکرومتر هستند که از نایژک های تنفسی، مجاری آلوئولی و کیسه های آلوئولی بیرون می آیند و سلول های آلوئولی سطح آلوئول ها را می پوشانند.
اکسیژن وارد شده به بدن از راه راه های هوایی به آلوئول ها می رسد و با دی اکسید کربن که توسط خون حمل می شود جایگزین می گردد. آلوئول ها از یک لایه نازک از سلول های پوششی ساخته شده و توسط مویرگ های نازکی احاطه شده اند. غشاهای آلوئولی یک ساختار سه لایه از لایه پوششی(epithelial)، غشای پایه(Basement membrane) و لایه درون رگی(endothelial) ساخته شده اند. تابحال چالش هایی برای شبیه سازی دقیق آلوئول با چنین ساختارهای نازک و پیچیده ای وجود داشته است.
محققان برای انجام این کار از یک مدل سد سه لایه آلوئولی با ضخامت ۱۰ میکرومتر استفاده کردند و آنرا با استفاده از چاپگر سه بعدی چاپ کردند.
به نقل از محققان این مدل جدید سد آلوئولی پاسخ فیزیولوژیکی مشابه بافت واقعی در مقابل ویروس بوجود می آورد.
آینده با اندام های چاپ شده چگونه خواهد بود؟
دکتر "مارکت" می گوید که در نهایت روزی این اندام ها وارد بیمارستان ها می شوند. اما گام مهم بعدی نحوه ی رشد آنها به صورت کامل در آزمایشگاه است و این که بتوان آنها را حفظ کرد و همینطور بتوان آنها را در بدن بیمار قرار داد. در چنین مطالعاتی هدف ساخت بافت ها با اندازه واقعی است و برای رسیدن به این هدف باید بر چالش هایی هم غلبه کرد. نخستین و مهم ترین آن ایجاد عروق درون بافت و اندام است. سلول ها به گردش خون نیاز دارند و انجام چنین کاری دشوار است. چونکه چنین ساختارهایی پیچیده هستند. شما احتیاج به لوله های کوچکی دارید که تبدیل به لوله های بزرگ تر شوند و این لوله های بزرگ هم بزرگ تر شوند. پیش از این ما هیچگاه چیزی که بتواند اتصالات عروقی برقرار کند را به بدن پیوند نزده ایم. چاپ یک هیدروژل بزرگ کار آسانی است اما تبدیل کردن این جوهر زیستی به بافت و ارگان های کارآمد مبحث دیگری است. زمانی که شما در بدن مادرتان رشد می کنید همه چیز با همدیگر کار می کند ازاین رو داده های زیادی از اندام های مختلف وجود دارد. این اندام ها با هم "حرف" می زنند. اما اگر یک اندام را خارج از بدن و در آزمایشگاه رشد دهید، عضوی تنها خواهد بود بدون هیچ ارتباطی و هیچ داده ای از خارج. کار سختی است که بگوییم من سلول های کبد را دارم و ظاهر آنرا دارم و یک کبد می سازم. این کار دشوار است. ایده آن است که این بافت و اندام ها را درون دستگاههای مخصوصی قرار دهیم که شبیه به درون بدن است.
در این صورت دما کنترل شده است و شما می توانید به آن اطلاعات بدهید و در این صورت میتوان هر آنچه می خواهید بسازید. من فکر می کنم طی ۲۰ سال آینده به این هدف دست یابیم. از نظر تکنیکی هیچ شکی ندارم که این اتفاق خواهد افتاد باآنکه از لحاظ اخلاقی مطمئن نیستم. ما هنوز نمی دانیم که اگر به چنین قدرتی دست پیدا نماییم هزینه آن و واکنش جامعه چقدر خواهد بود.
من فکر می کنم طی ۲۰ سال آینده به این هدف دست یابیم. از نظر تکنیکی هیچ شکی ندارم که این اتفاق خواهد افتاد باآنکه از لحاظ اخلاقی مطمئن نیستم. ما هنوز نمی دانیم که اگر به چنین قدرتی دست پیدا نماییم هزینه آن و واکنش جامعه چقدر خواهد بود.
چالش های دیگری هم در این راستا وجود دارد. هم اکنون تعداد کمی از جوهرهای زیستی وجود دارد که علاوه بر قابل چاپ بودن بتوانند ساختار مورد نظر برای بازسازی عملکرد اندام بعد از چاپ را ایجاد کنند. در حالیکه جوهرهای زیستی ساخته شده از هیدروژل طبیعی برای رشد سلولی مفید هستند، هیدروژل های مصنوعی از نظر مکانیکی قوی ترند. ازاین رو جوهرهای زیستی ترکیبی باید با در نظر گرفتن همه ی این جوانب طراحی شوند.
علاوه بر آن فرایند چاپ زیستی هم باید برای سلول ها مناسب سازی شود. تنش های اعمال شده در طول فرایند چاپ برای رشد سلول مضر است و می تواند سبب بیان تغییر ژن شود.
به صورت کلی حوزه ی تحقیقاتی چاپ سه بعدی به سرعت درحال تکامل است و با چالش های زیادی روبه رو است اما می تواند روزی جهان پزشکی و مراقبت های درمانی را متحول کند و سالانه نجات بخش جان هزاران نفر شود.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب