طی سال‌های اخیر، پیشرفت‌های حاصل شده در تکنولوژی‌های پرینت ۳ بعدی، به محققان امکان ساخت چیزهایی را داده‌اند که با نسخه‌های قبلی این تکنولوژی امکان‌پذیر نبوده‌اند؛ غذا، دارو و حتی اجزاء بدن از جمله این موارد هستند. از طرفی نیز قرار است در آینده‌ای نزدیک، این تکنولوژی با کمک پرینت‌زیستی سه‌بعدی به کمک بیماران بیاید.
در سال ۲۰۱۸، پزشکان دانشکده دامپزشکی کالج اونتاریو (Ontario) موفق شدند یک صفحه پلاتینی مخصوص را به صورت سه بعدی پرینت بگیرند. این صفحه برای جاگذاری در جمجمه سگی تولید شده بود که کمی پیش‌تر و در جریان جراحی سرطان‌اش، بخشی از جمجمه‌اش را از دست داده بود.
میشل اوبلاک، جراح دامپزشک غده شناس دانشگاه اونتاریو می‌گوید:
با انجام این عملیات‌ها بر روی بیماران حیوانیمان، ما می‌توانیم اطلاعاتی فراهم کنیم که نشان دهنده میزان امنیت و ارزش این پیوندها، برای انسان‌ها باشند. این پیوندها قدم بزرگ بعدی در پزشکی شخصی‌سازی شده هستند که این امکان را ایجاد می‌کنند که هر یک از المان‌های مراقبت پزشکی هر فرد، به طور به خصوص، متناسب با نیاز وی ساخته شود. البته این مورد فعلا برای حیوانات است ولی این تکنولوژی در آینده هم برای بیماران انسانی نقش مهمی ایفا خواهد کرد.
پرینت‌زیستی (Bioprinting) سه‌بعدی چیست؟
پرینت‌زیستی یا بیوپرینت سه‌بعدی، به‌کارگیری تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی برای تولید اعضاء بدن است. بیوپرینت‌ها مشابه پرینترهای سه‌بعدی عمل می‌کنند، هرچند به جای انباشتن موادی مانند پلاستیک یا سرامیک، لایه‌هایی از زیست ماده، که شامل یاخته‌های زنده است را ذخیره می‌کنند و با استفاده از این مواد، ساختارهای پیچیده‌ای مانند رگ‌های خونی یا بافت پوست را پدید می‌آورند.
در مرحله اول، یاخته‌های مورد نیاز از یک بیمار گرفته شده و سپس کشت می‌شوند. این یاخته‌ها معمولا با یک ماده حامل یا پروتئین‌های داربستی ترکیب می‌شوند. از طرفی این ماده حامل، معمولاً یک نوع ژل زیست‌پلیمری است که به عنوان یک داربست مولکولی سه‌بعدی عمل می‌کند و در حین فرآیند پرینت‌کردن از یاخته‌ها محافظت می‌کند.
سپس سلول‌ها به ژل می‌چسبند؛ ژلی که به اندازه‌ای محکم است که امکان پرینت کردن را فراهم می‌کند و به اندازه‌ای انعطاف‌پذیر است که امکان جریان یافتن و انتشار مواد مغذی و تحرک یاخته‌ها را هم فراهم می‌کند. حاصل ترکیب یاخته‌های کپسولی شده و ژل‌های زیست‌پلیمری، زیست جوهر (bio-ink) است که توسط مهندسان پزشکی برای ساخت ساختارهای بافت مانند، آن‌هم به صورت سه بعدی، به کار می‌رود.
ابتدای کار، طرح‌های کامپیوتری پر جزئیات و مدل‌ها که معمولاً بر پایه اسکن‌هایی با روش‌هایی مانند تصویر برداری مغناطیسی رزونانسی یا توموگرافی کامپیوتری شده هستند، به صورت مستقیم از یک بیمار گرفته می‌شوند. سپس سَری‌های با دقت پرینتر، یاخته‌ها و زیست جوهرها را دقیقاً در جای مورد نیاز می‌کارند و طی چند ساعت، یک شئ ارگانیک و طبیعی با استفاده از تعدادی لایه بسیار نازک ساخته می‌شود.
در مرحله بعدی، این یاخته‌ها با استفاده از مغذی‌های مایع شده و اکسیژن، در طول کل فرآینده زنده نگه داشته می‌شوند.
در مرحله پسا چاپ (پرینت)، ممکن است این ساختارها با استفاده از نور ماوراء بنفش (UV) یا حلال‌های یونی، به جهت برقراری پایداری بیشتر، به یک‌دیگر پیوند زده شوند. یاخته‌ها نیز، هم به صورت شیمیایی و هم به صورت مکانیکی، تحریک می‌شوند تا بازسازی و رشد بافت‌ها کنترل شود. سپس محصولی که به صورت سه بعدی پرینت شده است داخل یک گرمخانه (انکوباتور) قرار داده می‌شود تا امکان رشد برای یاخته‌ها فراهم آید.
ساختار به دست آمده باید به محض آماده شدن استفاده شود، مگر این‌که پرینت زیستی سه بعدی، با تکنیک‌های حفاظت انجمادی ترکیب شده باشد که این مورد هم (حفاظت انجمادی) سال گذشته به دست بیمارستان Brigham and Women و دانشکده پزشکی هاروارد محقق شد.
این کار تحقیقاتی که شرح و نتایج آن روز ۲۱ دسامبر منتشر شد، نشان می‌دهد که چگونه این تیم قادر به پرینت کردن بافت‌ها به صورت سه بعدی، آن‌هم در یک ظرف سرد در دمای ۲۰- درجه سانتی گراد (۴- درجه فارنهایت) بوده است. پس از پرینت این بافت‌ها در دمای ذکر شده، این بافت‌ها در یک فریزر در دمای ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد (۳۲۰- درجه فارنهایت) نگه داری شده‌اند. اما بخش حیرت‌انگیز این فرآیند این است که به گفته محققان این پروژه، یخ بافت‌ها ظرف صرفاً چند دقیقه آب شده و این بافت‌ها به صورت بلافاصله قابل استفاده می‌شوند.
پرینت زیستی تاندون‌ها و رباط‌ها
در سال ۲۰۱۸، مهندسان پزشکی دانشگاه یوتا روش جدیدی برای پرینت کردن تاندون‌ها و رباط‌ها، به صورت سه بعدی، ارائه دادند.
اولین قدم در این روش، گرفتن سلول‌های بنیادی از بیمار و پرینت کردن آن‌ها بر روی یک لایه هیدروژل (شبکه‌ای از زنجیرهای پلیمری آب‌دوست که گاهی اوقات به صورت یک ژل کلوئیدی یافت می‌شوند که در آن، آب فاز پخش کننده است) برای شکل دادن یک تاندون یا رباط است.
سپس این سلول‌های پرینت شده، پیش از کاشت، باید برای مدتی در محیطی تصنعی و خارج از بدن فرد زنده (In Vitro) رشد داده شوند. اما از طرفی هرچقدر این فرآیند روی کاغذ ساده به نظر می‌آید، در عمل پروسه‌ای به شدت پیچیده است، چرا که بافت همبند (همان بافت پیوندی که از جمله کارهای آن حفاظت و پشتیبانی از بافتهای دیگر است)، از یاخته‌های متفاوت و در طرح‌ها و الگوهای پیچیده‌ای تشکیل شده است. برای انجام این کار، این تیم ابتدا باید یک سری پرینتر جدید توسعه می‌داد که یاخته‌های انسان را به روشی بسیار کنترل شده جای‌گذاری کند.
برای انجام این کار، این تیم با یک شرکت به نام کارترا (Carterra) که در ایالت یوتا آمریکا قرار دارد، همکاری کرد تا به کمک هم سری‌های پرینتر مخصوصی بسازند که امکان قرار دادن یاخته‌ها در الگوهای پیچیده را برای آن‌ها فراهم می‌کرد. پس از تولید، این سَری به صورت کاملاً عادی برای پرینت کردن آنتی بادی، برای درمان سرطان، به یک پرینتر سه بعدی متصل شد.
با استفاده از این تکنیک دانشمندان موفق شدند سلول‌های بنیادی به دست آمده از چربی بدن یک بیمار را بر روی یک لایه هیدروژل به صورت سه بعدی پرینت کنند. این هیدروژل، رشد یاخته را در یک محیط تصنعی مناسب رشد (In Vitro) تسریع می‌کند و در حین این فرآیند، یک رباط یا تاندون را شکل می‌دهد.
سپس در انتها این بافت جدید در ناحیه آسیب دیده بدن بیمار کارگذاشته می‌شود و دیگر نیازی به فرآیند جایگزینی این بافت‌ها نخواهد بود.
بافتهای جایگزین شده نیز برای کسانی که به جایگزینی بافت‌ها نیازمندند، معمولا یا از روی اجساد یا جای دیگری روی بدن خود بیمار، برداشته می‌شوند. هرچند در بافت‌هایی که از روی اجساد برداشته می‌شوند، همیشه احتمال پس زده شدن بافت توسط بافتهای اطراف، یا کیفیت پایین خود بافت و ناکار‌آمدی آن وجود دارد.
این درحالی است که بافتهای ساخته شده از یاخته‌های خود بیمار، همیشه ریسک‌های مرتبط با پیچیدگی‌های پیوند زدن را پایین آورده و آهنگ بهبودی را نیز تسریع می‌بخشند.
پرینت زیستی پوست و بهبود زخم
از آنجایی که پرینت زیستی سه‌بعدی می‌تواند پوست جدیدی برای هر بیمار پرینت کند، این قابلیت را نیز دارد که در آینده نزدیک ما را از شر پیوند پوست هم خلاص کند.
پیوند پوست عبارت است از پیوند پوست سالم یک حیوان، اهدا کننده انسان یا بخشی از بدن خود بیمار، برای جایگزین کردن با بخشی از بدن که پوست آن به شدت آسیب دیده است، می‌باشد. این فرآیند به طور معمول برای درمان زخمهای عمیق، سوختگی‌ها، زخم معده و عفونت‌ها و یا از بین بردن سرطان‌های پوست انجام می‌شود.
اما با این‌که این تکنیک کارآمد به نظر می‌رسد، همواره با ریسک‌های متعددی همراه است؛ از خون‌ریزی و از دست‌دادن حساسیت گرفته، تا عفونت‌های متعدد، زخم‌ها و پس زده شدن بافت مورد نظر.
دلایل بالا باعث شده‌اند که دانشمندان موسسه داروهای احیا کنندهِ Wake Forest (WFIRM) شروع به کار بر روی یک سیستم زیست پرینتی متحرک کنارتختی بکنند که به پزشکان امکان پرینت پوست چند لایه‌ای را بر روی زخم بیمار، آن‌هم به صورت آنی، می‌دهد.
شاون مورفی؛ پروفسور کمکی WFIRM که نویسنده ارشد مقاله منتشر شده هم بوده است می‌گوید:
وجه خاص و یکتای این تکنولوژی، سیار بودن آن و قابلیت مدیریت زخمهای گسترده، در محل، و صرفاً با اسکن کردن و اندازه گیری زخم‌ها، برای قراردادن یاخته‌ها به صورت مستقیم به مکانی که به آن‌ها برای ساخت پوست نیاز است، می‌باشد.
برای انجام این‌کار دانشمندان با انجام فرآیند بافت برداری (Biopsy)، یاخته‌های پوستی خاصی را از بافت سالم برداشته و در محیط مناسب رشد، پرورش می‌دهند. سپس یاخته‌های مورد بحث را با هیدروژل ترکیب کرده و کل ترکیب را داخل پرینتر زیستی قرار می‌دهند. در نهایت دستگاه با استفاده از اطلاعات به دست آمده از اسکن زخم (که توسط یک نرم افزار انجام می‌شود)، یاخته‌ها را بر روی منطقه آسیب دیده چاپ (پرینت) می‌کند.
توجه داشته باشید که با نظر به این‌که یاخته‌ها از بدن خود بیمار گرفته شده‌اند، ریسک پس زده شدنشان به شدت کمتر از روش‌های دیگر خواهد بود.
PRP
در همین حین در دوبلین، دانشمندان دانشگاه پزشکی و سلامت RCSI، داربست پروتئینی هیدروژلی‌ای به همراه PRP (پلاسمای غنی از پلاکت) طبیعی توسعه داده‌اند که قابلیت‌های بازاحیایی قابل توجهی دارد. این ترکیب می‌تواند به عنوان یک زیست جوهر برای تسریع پروسه بهبود زخم در بافتهای پرینت شده به صورت سه‌بعدی به کار رود.
پروفسور فِرگال اّ برایان از RCSI در این باره می‌گوید:
مستندات موجود گواهی می‌دهند که با این‌که PRPای [پلاسمای غنی از پلاکت] که همین حالا هم در خون ما موجود است به ترمیم زخم‌ها کمک می‌کند، زخم شدن هنوز هم امکان‌پذیر است.
اما با پرینت سه بعدی PRP بر روی یک داربست زیست‌ماده‌ای (ماده‌ای با منشاء طبیعی یا مصنوعی که به منظور بهبود، التیام یا جایگزینی بافت موجودات زنده به کار می‌رود) ما می‌توانیم در حین اجنتاب از تشکیل زخم‌ها، شکل‌گیری رگ‌های خونی را هم افزایش دهیم که این امر در نهایت به بهبودی موفق‌تر زخم می‌انجامد.
رگ‌های خونی
احتمالاً هدف غایی پرینترهای زیستی سه‌بعدی، سرهم کردن اجزاء کاربردی بدن و حل مشکل پیوند عضو است.
درحال حاضر بیش از ۱۰۰ هزار نفر در لیست انتظار ملی پیوند عضو آمریکا هستند که تقریبا ۱۷ نفر از آن‌ها هر روزه به دلیل دریافت نکردن عضو مورد نیازشان جان می‌دهند و علت این فاجعه هم بیشتر به خاطر کمبود اهدا کننده می‌باشد. هرچند حدود ۶۰ درصد آمریکایی‌ها به عنوان اهداء کننده عضو ثبت نام کرده‌اند، اهداء عضو تنها در ۳ مرگ از ۱۰۰۰ مرگ میسر می‌باشد.
پرینت سه‌بعدی اعضاء بدن می‌تواند جان‌های بیشماری را نجات دهد، اما از طرفی نیز دانشمندان در تلاش برای ساخت ساختارهای رگ‌دار هستند که این ساختارها برای ساخت اعضاء پرینتی با دوام، ضروری می‌باشند. این ضرورت از این جهت می‌باشد که تمامی اعضاء، از جمله آن‌هایی که به صورت سه بعدی پرینت شده‌اند، به یک منبع خون ممتد برای جلوگیری از مرگ یاخته‌ها و بافت‌ها نیاز دارند.
در اکتبر سال ۲۰۲۱، یک تیم تحقیقاتی در موسسه تکنولوژی تکنیون اسرائیل، موفق به پرینت سه بعدی ساختارهای رگ خون برای افزودن یک منبع خون برای بافتهای کاشته شده، شدند.
این ساختارها پس این‌که تیم گفته شده سلول‌های درون‌پوش را از لایه داخلی رگ‌های خونی داخل بدن را در یک داربست پلیمری کلاژنی جای‌گذاری کردند، به صورت خودبه‌خودی شروع به رشد کردند.
هرچند از آنجایی که این‌ها تنها ریزرگ‌هایی هستند که می‌توان با استفاده از آن‌ها، توسعه بافت در محیط خارج از بدن (In Vitro) را ارتقاء داد، تا به امروز هماگنی بافتهای تولید شده در آزمایشگاه با سیستم وعایی بیمار اتفاق نیافتاده است، چرا که این ریز رگ‌ها توانایی خون‌رسانی به یک عضو کامل را ندارند.
اما در نهایت این مطالعه نشان می‌دهد که هنوز راه درازی تا پرینت سه عدی اعضاء بدن به صورت آنی و بنا به درخواست، مانده است. اما به واقع، کسی چه می‌داند که دانشمندان در آینده میتوانند از چه تکنیک‌هایی برای حل این مشکل استفاده کنند.
نظرات