یک گام بزرگ برای ساخت بیولوژیکی اندام های بدن

یک گام بزرگ برای ساخت بیولوژیکی اندام های بدن

‏بیماری قلبی -; علت اصلی مرگ و میر در ایالات متحده -; تا حدودی کشنده است زیرا قلب بر خلاف سایر اندام ها نمی تواند پس از آسیب دیدگی خود را ترمیم کند. به همین دلیل است که مهندسی بافت، در نهایت از جمله ساخت عمده فروشی کل قلب انسان برای پیوند، برای آینده پزشکی قلبی بسیار مهم است.‏

‏برای ساخت قلب انسان از زمین به بالا، محققان باید ساختارهای منحصر به فردی را که قلب را تشکیل می دهند تکرار کنند. این شامل بازآفرینی هندسه های هلیکال است که با ضربان قلب یک حرکت پیچش ایجاد می کند. مدت هاست که این حرکت پیچش برای پمپاژ خون در حجم های بالا حیاتی است، اما اثبات این که دشوار بوده است، تا حدودی به این دلیل که ایجاد قلب با هندسه ها و همترازی های مختلف چالش برانگیز بوده است.‏

‏در حال حاضر، مهندسان زیستی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson (SEAS) اولین مدل بیوهیبرید از بطن های انسان با سلول های قلبی ضرب و شتم helically همتراز توسعه یافته اند، و نشان داده اند که همترازی عضلانی می کند، در واقع، به طور چشمگیری افزایش می دهد که چقدر خون بطن می تواند با هر انقباض پمپ.‏

‏این پیشرفت با استفاده از روش جدیدی برای ساخت نساجی افزودنی، جت ریسندگی روتاری متمرکز (FRJS) امکان پذیر شد که ساخت توان بالای الیاف همسو با helically با قطرهای اعم از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را قادر می ساخت. توسعه یافته در SEAS توسط گروه بیوفیزیک بیماری کیت پارکر، فیبرهای FRJS همترازی مستقیم سلول، اجازه می دهد برای تشکیل ساختارهای مهندسی بافت کنترل شده است.‏

‏این تحقیق در ساینس منتشر می شود.‏

‏پارکر، استاد خانواده تار مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی در SEAS و نویسنده ارشد مقاله می گوید: «این اثر گام بزرگی به جلو برای ساخت زیستی عضو است و ما را به هدف نهایی خود برای ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیک تر می کند.»‏

‏این اثر ریشه در یک قرن رمز و راز قدیمی دارد. در سال ۱۶۶۹، پزشک انگلیسی ریچارد لووری -؛ مردی که جان لاک را در میان همکارانش و شاه چارلز دوم در میان بیمارانش به حساب می آورد -; ابتدا به آرایش مارپیچی مانند عضلات قلب در کار سمینال خود ‏‏Tractatus de Corde اشاره کرد.‏

‏در طول سه قرن آینده، پزشکان و دانشمندان درک جامع تری از ساختار قلب ساخته اند اما هدف از آن عضلات مارپیچی به شدت سخت برای مطالعه باقی مانده است.‏

‏در سال ۱۹۶۹ ادوارد سالین، رئیس سابق دپارتمان بیوماتماتیک در دانشکده پزشکی دانشگاه آلاباما بیرمنگام، استدلال کرد که همترازی مارگی قلب برای دستیابی به کسرهای بزرگ اخراج حیاتی است -؛ درصد چقدر خون بطن پمپ با هر انقباض.‏

‏جان زیمرمن، همکار پساداکتورا در SEAS و نویسنده مشترک مقاله می گوید: «هدف ما ساخت مدلی بود که در آن می توانستیم فرضیه سالین را آزمایش کنیم و اهمیت نسبی ساختار هلیکال قلب را مطالعه کنیم.»‏

‏برای آزمایش نظریه سالین، محققان SEAS از سیستم FRJS برای کنترل همترازی الیاف چرخشی که می توانستند سلول های قلبی را بر روی آن رشد دهند، استفاده کردند.‏

‏اولین مرحله از FRJS کار می کند مانند یک ماشین آب نبات پنبه -; یک محلول پلیمر مایع به یک مخزن لود شده و از طریق یک دهانه کوچک توسط نیروی دستگاه به عنوان چرخش دستگاه رانده شده است. همانطور که محلول مخزن را ترک می کند، حلال تبخیر می شود، و پلیمرها جامد می شوند تا فیبرها را تشکیل دهند. سپس یک جریان هوایی متمرکز جهت گیری فیبر را کنترل می کند چرا که بر روی یک کلکسیونر رسوب می کنند. این تیم دریافت که با آنگلینگ و چرخاندن گردآورنده، الیاف داخل جریان در حالی که می چرخید، به دور گردآورنده تراز و پیچ و تاب می دهند و ساختار مارپیچی عضلات قلب را تقلید می کنند.‏

‏هم ترازی الیاف را می توان با تغییر زاویه جمع کننده کوک کرد.‏

‏هویبین چانگ، همکار پساکتورا در SEAS و نویسنده مشترک مقاله می گوید: «قلب انسان در واقع لایه های متعددی از عضلات همسو با زوایای مختلف همترازی دارد.» “با FRJS، ما می توانیم آن ساختارهای پیچیده را به شیوه ای واقعا دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی تک و حتی چهار محفظه ای را تشکیل دهیم.”‏

‏بر خلاف چاپ سه بعدی، که آهسته تر می شود به عنوان ویژگی های کوچکتر، FRJS می تواند به سرعت چرخش الیاف در مقیاس میکرون تنها – و یا حدود پنجاه بار کوچکتر از یک موی انسان واحد است. این مهم است که آن را به ساخت یک قلب از ابتدا می آید. کلاژن را به عنوان مثال، یک پروتئین ماتریس خارج سلولی در قلب، که همچنین یک میکرون واحد در قطر است. بیش از 100 سال طول می کشید تا چاپ سه بعدی هر بیت کلاژن در قلب انسان در این قطعنامه. FRJS می تواند این کار را در یک روز انجام دهد.‏

‏پس از ریسندگی، بطن ها با کاردیومیوسیت موش صحرایی یا سلول های بنیادی انسان مشتق از سلول های کاردیومیوسیت بذرپاشی شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین لایه نازک از بافت ضرب و شتم داربست را پوشانده بودند، با سلول های زیر همترازی الیاف زیر.‏

‏بطن های ضرب و شتم همان حرکت پیچ و تاب یا مچ زدن حاضر در قلب انسان را مورد ضرب و شتم قرار دادند.‏

‏محققان تغییر شکل بطن، سرعت سیگنالینگ الکتریکی و کسر خارج شدن بین بطن های ساخته شده از الیاف هم تراز هلیکال و فیبرهای ساخته شده از الیاف هم تراز دور را مقایسه کردند. آنها در هر جلو در بر داشت، بافت helically همتراز از بافت دور تراز شده پیشی گرفت.‏

‏پارکر می گوید: «از سال ۲۰۰۳ گروه ما برای درک روابط ساختار-عملکرد قلب و اینکه چگونه بیماری از نظر پاتولوژیک این روابط را به خطر می اندازد، کار کرده است.» او می گوید: «در این مورد دوباره به یک مشاهده آزمایش شده هرگز در مورد ساختار هلیکال معماری لمینار قلب پرداختیم. خوشبختانه پروفسور سالین بیش از نیم قرن پیش یک پیش بینی نظری منتشر کرد و ما توانستیم سکوی تولیدی جدیدی بسازیم که ما را قادر ساخت تا فرضیه او را آزمایش کنیم و به این پرسش قرن ها بپردازیم.»‏

‏این تیم همچنین نشان داد که این فرایند را می توان تا اندازه یک قلب واقعی انسان و حتی بزرگتر، به اندازه یک قلب نهنگ مینکه مقیاس بندی کرد (آنها مدل های بزرگتر را با سلول ها بذر نمی کردند چرا که میلیاردها سلول کاردیومیوسیت طول می کشید).‏

‏در کنار ساخت زیستی، این تیم به بررسی کاربردهای دیگری برای پلت فرم FRJS خود مانند بسته بندی مواد غذایی نیز می پردازد.‏

‏دفتر توسعه فناوری هاروارد از مالکیت معنوی مربوط به این پروژه محافظت کرده و در حال کاوش در فرصت های تجاری سازی است.‏

به طب دائم امتیاز دهید

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.