همه چیز درباره چاپ سه بعدی اندام های بدن؛
آیا روزی می توان عضو پیوندی را چاپ کرد؟
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 نیو وبلاگ به نقل از ایسنا، سالانه تعداد زیادی از افراد در سراسر جهان جان خودرا در صف دریافت عضو اهدایی از دست می دهند و حدود هر ۹ تا ۱۰ دقیقه یک دفعه یک نفر به این صف طولانی اضافه می شود. رسیدگی به این مساله نیازمند پیش گرفتن نگاهی جدید است. بدین جهت پژوهشگران به فکر ساخت اعضای بدن با بهره گیری 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 نیاز به منتظر ماندن برای پیدا شدن فردی مناسب برای اهدا، به آسانی با بهره گیری 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 مفهوم چاپ بافت زنده با بهره گیری 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 بصورت 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. تعدادی از پژوهشگران نیز بر سایر اندام ها مانند کبد، کلیه و قلب هستند.
چاپ سه بعدی را می توان 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 بجای 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 صورتیکه 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 به وجود 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 اشاره 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 نیز می توان بهره برد.
چاپ زیستی چگونه عمل می کند؟
به قول دکتر "مارکت"، در پروسه چاپ سه بعدی یک چاپگر و جوهر دخیل است که در مورد چاپگرهای زیستی یک جوهر زیستی وجود دارد. ایده آنست که چندین سلول از بیمار گرفته شود و این سلول ها درون جوهر زیستی قرار می گیرند. بدین سبب جوهر زیستی باید بتواند به خوبی میزبان سلول ها باشد و آنها را زنده نگه دارد.
به قول دکتر "مارکت"، در پروسه 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 تولید 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 می توان 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 نیز با آنها همکاری می کند. هدف آنها بازسازی پوست قربانیان سوختگی با بهره گیری از چاپ زیستی بطور مستقیم و در لحظه در اتاق عمل است.
گزینه های درمانی در این مورد بسیار محدود است. اگر سوختگی بیمار بیش از ۷۰ درصد باشد، پوست سالم کافی برای پیوند زدن وجود نخواهد داشت. بااینکه 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 بصورت 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 بصورت 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 خواهدنمود. 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. بدین سبب 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 لطمه 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 نیز می توان برای تعیین اندازه و عمق زخم استفاده نمود. با پیشرفت در این عرصه، پژوهشگران می خواهند بدانند که آیا می توان 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 بطور کامل توسعه می یابد و در بیمارستان ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
پژوهشگران دانشکده پزشکی "ویک فارست"(Wake Forest) نیز 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 پژوهشگران موسسه "پلی تکنیک رنسلیر"، نیویورک نیز با بهره گیری از ترکیب دو جوهر زیستی، پیوندهای پوستی دارای عروق را پرورش دادند. این پوست ها تا حالا تنها به موش های دارای نقص ایمنی پیوند زده شده اند اما می توان از آنها برای جایگزین کردن پیوندهای پوستی بهره برد.
چاپ استخوان
پژوهشگران دانشگاه سوانسی(Swansea) در بریتانیا با بهره گیری از مواد زیستی با دوام و احیاکننده یک پروسه 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 لطمه 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 حالیست که استخوان های تولید شده با چاپگر زیستی می تواند به حل این معایب کمک نماید.
پژوهشگران دانشگاه نیو ساوت ولز(New South Wales) در سیدنی استرالیا دست به ساخت پروسه جدیدی زده اند که می توان از آن درون بدن انسان استفاده نمود. این پروسه درد را می کاهد و زمان بهبودی را تسریع می کند.
پژوهشگران دانشگاه نیو ساوت ولز(New South Wales) در سیدنی استرالیا دست به ساخت پروسه جدیدی زده اند که می توان از آن درون بدن انسان استفاده نمود. این پروسه درد را می کاهد و زمان بهبودی را تسریع می کند.
درمان سرطان استخوان ممکنست به برداشتن بخش هایی از استخوان منجر شود و قربانیان تصادفات نیز ممکنست به ترمیم گسترده استخوان نیازمند باشند. با این روش جدید می توان 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، می توان یک جوهر زیستی ایجاد کرد و دانشمندان به راهی دست یافته اند که می توان این ماده استخوانی جدید را در داخل بدن ایجاد کرد.
به قول "کریستوفر کیلیان"(Kristopher Kilian)، اگر در طول جراحی قسمتی از استخوان بیمار برداشته شود می توان آن استخوان را اسکن کرد و بطور مستقیم حفره به وجود 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 نیاز به مواد شیمیایی بود، این چاپگر سبک و قابل حمل است و می توان آنرا به اتاق عمل برد.
علاوه بر درمان بیماران، از استخوان های مصنوعی می توان برای مدل سازی بیماریهای استخوان و نظارت بر داروها نیز بهره برد.
قلب
گروهی از دانشمندان دانشگاه تل آویو با بهره گیری 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 بر طبق تصاویر گرفته شده از قلب اهداکننده به وجود آمد.
این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد. قلبی که پژوهشگران به وجود 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 سراسر جهان به جراحی مغز و اعصاب نیاز پیدا می کنند. این لطمه ها در درجه اول ناشی از حوادثی مانند تصادفات رانندگی، لطمه دیدن در محل کار و زایمان است.
روش های فعلی 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 لطمه دیده تضمین نمی گردد و عملکردهای طبیعی فرد حدودا هیچوقت بطور کامل باز نمی گردد.
مطالعه بر روی موش ها نشان داده که اگر لطمه بیش از دو سانتی متر از اعصاب را از بین ببرد، این شکاف نمی تواند به درستی پر شود و این مساله ممکنست منجر به از دست دادن عملکرد یا حس عضلات شود. در این شرایط استفاده از یک داربست برای برقرار کردن ارتباط بین دو عصب لطمه دیده اهمیت زیادی دارد.
چاپگر سه بعدی می تواند به ساخت ساختارهای متخلخل که از سلول های عصبی بیمار و یک ماده زیستی تولید شده است کمک نماید تا بین اعصاب لطمه دیده ارتباط برقرار شود. پژوهشگران از ماده ای مشتق شده از جلبک در این مطالعه استفاده کردند برای اینکه بدن انسان این ماده را پس نمی زند. بااینکه 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 بطور طبیعی دفع می شوند. شرکت های 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 نیاز به پیوند کلیه در آینده را کم کند. کلیه های چاپ سه بعدی شده کوچک نیز تولید 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 نیاز به پیوند کلیه در آینده را کم کند.
بنظر می رسد دستکم ۵۰ سال دیگر طول بکشد تا این کلیه ها به شکل گسترده در دسترس قرار بگیرند. توسعه چاپ سه بعدی در زمینه پزشکی هنوز در مراحل اولیه قرار دارد اما این مساله 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 بهره گیری از چاپ زیستی جوهرافشان تولید 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 بوسیله 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 تولید 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) تولید شده اند. تا حالا چالش هایی برای شبیه سازی دقیق آلوئول با چنین ساختارهای نازک و پیچیده ای وجود داشته است.
پژوهشگران برای انجام این کار از یک مدل سد سه لایه آلوئولی با ضخامت ۱۰ میکرومتر استفاده کردند و آنرا با بهره گیری از چاپگر سه بعدی چاپ کردند.
به قول پژوهشگران این مدل جدید سد آلوئولی پاسخ فیزیولوژیکی مشابه بافت واقعی در مقابل ویروس به وجود 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 بصورت کامل در آزمایشگاه است و این که بتوان آنها را حفظ کرد و همین طور 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 نیز 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. برای اینکه چنین ساختارهایی پیچیده هستند. شما نیاز به لوله های کوچکی دارید که تبدیل به لوله های بزرگ تر شوند و این لوله های بزرگ نیز بزرگ تر شوند. قبل از این ما هیچ گاه 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 موضوع دیگری است. زمانی که شما در بدن مادرتان رشد می کنید همه چیز با همدیگر کار می کند بدین سبب 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 آنست که این بافت و اندام ها را درون دستگاه های 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 می توان 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 بااینکه 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 بااینکه 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 نیز 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 صورتیکه جوهرهای زیستی تولید شده از هیدروژل طبیعی برای رشد سلولی مفید هستند، هیدروژل های مصنوعی از نظر مکانیکی قوی ترند. بدین سبب جوهرهای زیستی ترکیبی باید با در نظر گرفتن همه ی این جوانب طراحی شوند.
علاوه بر آن پروسه چاپ زیستی نیز باید برای سلول ها مناسب سازی شود. تنش های اعمال شده در طول پروسه چاپ برای رشد سلول مضر است و می تواند موجب بیان تغییر ژن شود.
بطور 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.
منبع: نیو وبلاگ
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب