اندام های مصنوعی نزدیک به واقعیت

رگ های خونی پرینت سه بعدی اندام های مصنوعی را به واقعیت نزدیک می کند

رشد اندام‌های عملکردی انسان در خارج از بدن یک ” جام مقدس” در پزشکی پیوند عضو است که مدت‌هاست به دنبال آن بوده است. تحقیقات جدید مؤسسه مهندسی بیولوژیکی الهام گرفته از هاروارد ویس و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان آ. پالسون (SEAS) این تلاش را یک گام بزرگ به تکمیل نزدیک‌تر می‌کند.

تیمی از دانشمندان روش جدیدی را برای چاپ سه بعدی شبکه های عروقی ایجاد کردند که متشکل از رگ های خونی به هم پیوسته است که دارای “پوسته” مشخصی از سلول های عضلانی صاف و سلول های اندوتلیال هستند که یک “هسته” توخالی را احاطه کرده اند که مایع از طریق آن می تواند جریان یابد و در داخل بافت قلب انسان جاسازی شده است. .

این معماری عروقی از رگ‌های خونی طبیعی تقلید می‌کند و نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی به سمت توانایی ساخت اندام‌های قابل کاشت انسان است. این دستاورد در Advanced Materials منتشر شده است.

“در کار قبلی، ما یک روش چاپ زیستی سه بعدی جدید، معروف به “نوشتن قربانی در بافت عملکردی” (SWIFT)، برای الگوبرداری از کانال های توخالی در یک ماتریس سلولی زنده ایجاد کردیم.

در اینجا، بر اساس این روش، SWIFT کواکسیال را معرفی می کنیم. SWIFT) که معماری چندلایه موجود در رگ های خونی بومی را خلاصه می کند و تشکیل یک اندوتلیوم بهم پیوسته را آسان تر می کند و مقاومت در برابر فشار داخلی جریان خون را قوی تر می کند.” – نویسنده ارشد و عضو هیئت علمی Wyss Core جنیفر لوئیس، Sc.D.

نوآوری کلیدی که توسط این تیم ایجاد شد، یک نازل پوسته هسته منحصر به فرد با دو کانال سیال قابل کنترل مستقل برای “جوهر”هایی بود که مخازن چاپ شده را تشکیل می‌دهند: یک جوهر پوسته مبتنی بر کلاژن و یک جوهر هسته مبتنی بر ژلاتین. محفظه هسته داخلی نازل کمی فراتر از محفظه پوسته گسترش می یابد به طوری که نازل می تواند یک رگ چاپ شده قبلی را به طور کامل سوراخ کند تا شبکه های انشعاب به هم پیوسته برای اکسیژن رسانی کافی به بافت ها و اندام های انسان از طریق پرفیوژن ایجاد شود. اندازه ظروف را می توان در طول چاپ با تغییر سرعت چاپ یا نرخ جریان جوهر تغییر داد.

برای تایید کارکرد روش جدید co-SWIFT، این تیم ابتدا ظروف چندلایه خود را در یک ماتریس هیدروژل گرانول شفاف چاپ کردند. سپس، رگ‌ها را در ماتریکسی به نام uPOROS که اخیراً ایجاد شده است، چاپ کردند که از مواد متخلخل مبتنی بر کلاژن تشکیل شده است که ساختار متراکم و فیبری بافت ماهیچه‌ای زنده را تکرار می‌کند. آنها توانستند با موفقیت شبکه های عروقی منشعب را در هر دوی این ماتریس های بدون سلول چاپ کنند. پس از چاپ این ظروف بیومیمتیک، ماتریس حرارت داده شد که باعث شد کلاژن در ماتریکس و جوهر پوسته به هم متصل شود و جوهر هسته ژلاتین قربانی ذوب شود و باعث حذف آسان آن شود و منجر به ایجاد عروق باز و قابل نفوذ شود.

با حرکت به سمت مواد بیولوژیکی مرتبط‌تر، این تیم فرآیند چاپ را با استفاده از جوهر پوسته‌ای که با سلول‌های ماهیچه صاف (SMCs) که لایه بیرونی رگ‌های خونی انسان را تشکیل می‌دهند، تزریق شد، تکرار کردند.

پس از ذوب جوهر هسته ژلاتین، سلول‌های اندوتلیال (ECs) که لایه داخلی رگ‌های خونی انسان را تشکیل می‌دهند، در عروق خود پرفیوژن کردند. پس از هفت روز پرفیوژن، SMCs و ECs هر دو زنده بودند و به عنوان دیواره عروق عمل می کردند – کاهش سه برابری در نفوذپذیری عروق در مقایسه با عروق بدون EC وجود داشت.

در نهایت، آنها آماده بودند تا روش خود را در داخل بافت زنده انسان آزمایش کنند. آنها صدها هزار بلوک ساختمانی اندام قلبی (OBBs) ساختند – کره‌های کوچکی از سلول‌های قلب انسان تپنده، که در یک ماتریکس سلولی متراکم فشرده شده‌اند. سپس، با استفاده از سوئیفت مشترک، یک شبکه عروق بیومیمتیک را در بافت قلب چاپ کردند. در نهایت، آنها جوهر هسته قربانی را حذف کردند و سطح داخلی عروق مملو از SMC خود را با ECs از طریق پرفیوژن کاشتند و عملکرد آنها را ارزیابی کردند.

نه تنها این رگ‌های بیومیمتیک چاپ شده ساختار مشخصه دو لایه رگ‌های خونی انسان را نشان می‌دهند، بلکه پس از پنج روز پرفیوژن با مایع تقلید خون، OBB‌های قلبی شروع به تپش همزمان کردند – که نشان‌دهنده بافت قلب سالم و عملکردی است. بافت ها همچنین به داروهای رایج قلبی پاسخ دادند – ایزوپروترنول باعث تپش سریعتر آنها شد و بلبی استاتین از تپش آنها جلوگیری کرد. این تیم حتی مدلی از عروق انشعاب سرخرگ کرونری چپ یک بیمار واقعی را به صورت OBB پرینت کردند که پتانسیل آن را برای پزشکی شخصی نشان می‌دهد.

لوئیس گفت: “ما توانستیم با موفقیت یک مدل از عروق کرونر چپ را بر اساس داده های یک بیمار واقعی چاپ کنیم، که کاربرد بالقوه co-SWIFT را برای ایجاد اندام های انسانی و عروقی خاص بیمار نشان می دهد.” او همچنین استاد Hansjörg Wyss مهندسی الهام گرفته از بیولوژیکی در SEAS است.

در کار آینده، تیم لوئیس قصد دارد شبکه‌های مویرگ‌های خودآرایی را تولید کند و آنها را با شبکه‌های رگ‌های خونی چاپ سه‌بعدی خود ادغام کند تا ساختار رگ‌های خونی انسان را در مقیاس میکرو به طور کامل‌تری تکرار کند و عملکرد بافت‌های رشد یافته در آزمایشگاه را بهبود بخشد.

“این که بگوییم مهندسی بافت‌های انسانی زنده و عملکردی در آزمایشگاه دشوار است، دست کم گرفته شده است. من به عزم و خلاقیت این تیم در اثبات اینکه آنها واقعاً می‌توانند رگ‌های خونی بهتری را در بافت‌های قلبی زنده انسان بسازند، افتخار می‌کنم.

من نگاه می‌کنم. به دنبال موفقیت مداوم آنها در تلاششان برای کاشت روزی بافت رشد یافته در آزمایشگاه به بیماران است.” اینگبر همچنین استاد بیولوژی عروقی جودا فولکمن در HMS و بیمارستان کودکان بوستون و هانسیورگ ویس پروفسور مهندسی الهام گرفته از بیولوژی در SEAS است.