با وجود هزاران پیوند اعضای بدن در سراسر جهان ، به راحتی نمی تواند تقاضای روزافزون اهدای عضو را برآورده کند. متأسفانه ، اهدا کنندگان زنده و درگذشته امروز تنها منبع مناسب برای این اندام های نجات دهنده زندگی هستند، زیرا ما فقط نمی توانیم آنها را در کارخانه تولید اعضا تولید کنیم.
پزشکی بازساختی یک شاخه پزشکی میان رشته ای است که با ترمیم یا حتی جایگزینی سلولهای آسیب دیده روشهایی را برای رشد مجدد اندام و بافت ایجاد می کند. این طیف گسترده ای از تکنیک ها را شامل می شود ، از جمله درمان سلول های بنیادی و مهندسی بافت، که در اینجا تحقیقات گسترده ای در مورد پرینت سه بعدی انجام می شود.
در این ادامه ، ما به جدیدترین و جالبترین تحولات در پروژه های ارگان های چاپی توسط پرینتر سه بعدی خواهیم پرداخت که براساس نوع اندام سازمان یافته است. قبل از شروع کار، بیایید بررسی کنیم چاپ زیستی سه بعدی چیست و چگونه می توان از آن برای تولید بافت ها و اندام ها استفاده کرد.
چگونگی فرایند پرینت ارگان های زیستی
به طور خلاصه ،پرینت زیستی سه بعدی ارگان ها در اصل استفاده از تکنیک های ساخت مواد افزودنی برای ایجاد ساختارهای سه بعدی برای مهندسی بافت است. نیازی به گفتن نیست که شامل چندین فرآیند با درجه پیچیدگی بالا ، از طراحی ساختارهای آلی گرفته تا پس از تحریک مواد است که به بلوغ معروف است.
در حالی که روشهای چاپ زیستی مختلفی وجود دارد ، اما شاید رایج ترین آنها فرآیند FDM مانند باشد که در آن ماده چسبناکی اکسترود شده و لایه لایه می شود. این ماده به عنوان bioink شناخته می شود که بیشتر از سلولها و عوامل حامل تشکیل شده است و اغلب یک ژل بیوپلیمر است که به عنوان داربست سه بعدی کار می کند.
توسعه Bioink زمینه تحقیقاتی است که همگام با محققان پزشکی و توسعه دهندگان زیست چاپ کار می کند. در حالی که چاپ زیستی سه بعدی هنوز در مراحل ابتدایی است ، تاکنون موفقیت های چشمگیری در این زمینه حاصل شده است.
در ادامه در مورد امیدوار کننده ترین پروژه های پرینت سه بعدی ارگان تا به امروز صحبت خواهیم کرد.
پرینت زیستی سه بعدی کلیه
از این تمام اندام های بالقوه برای پرینت سه بعدی زیستی ، کلیه ممکن است یکی از سخت ترین ها برای بازآفرینی باشد، دلیل اصلی آن پیچیدگی زیاد مربوط به ساختار داخلی آن است. با این حال ، کلیه ها بیشترین نیاز بدن برای پیوند هستند، بنابراین مناسب ترین کاندید برای تولید سریال اعضای بدن است.
به همین منظور، در سال 2016، دانشمندان از آزمایشگاه لوئیس در دانشگاه هاروارد یک روش جدید چاپ بیولوژیکی را ایجاد کردند که اجازه می دهد بخشهای کوچکی از نفرون به نام توبول های پروگزیمال ایجاد شود. نفروون ها اساسی ترین ساختار کلیه هستند و مسئول تمام فیلترهای خون در این اندام ها هستند.
شرکت چاپ زیستی سه بعدی آمریکایی ارگانوو تولید موفقیت آمیز ارگانوئیدهای کلیه را از طریق پلتفرم چاپ مجدد خود ، ارگانوو نوو ژن، اعلام کرد. اینها ساختارهای مبتنی بر سلولهای بنیادی خودسازمانده هستند که می توانند در تعداد زیادی نسبتاً سریع تولید شوند.
اخیراً ، در سپتامبر سال 2020 ، شرکت The United Therapyics با یک شرکت دارویی احیاگر CollPlant Biotechnologies برای استفاده از فناوری مواد (rhCollagen) در توسعه چاپ مجدد بیولوژی کلیه همکاری کرد.
کبد ارگان چاپ شده توسط پرینتر سه بعدی
بیش از 4.5 میلیون نفر تحت تأثیر برخی بیماری های کبدی در ایالات متحده قرار دارند. این تقریبا 2٪ از کل جمعیت است و از امروز، تنها درمان ممکن برای بیماری مرحله نهایی کبد پیوند است. نیازی به گفتن نیست، شکاف بین نیازهای اندام و در دسترس بودن همچنان افزایش می یابد.
در سال 2016، محققان دانشگاه Califonia San Diego موفق به پرینت سه بعدی بافت آلی شدند که از ساختارهای کبدی واقعی هم در ساختار و هم در عملکرد تقلید می کند. در آن زمان، چنین صنایع مهندسی زیستی توسط صنعت داروسازی برای تولید دارو و آزمایش استفاده می شد.
ارگانوو (که در بالا با پیشرفت کلیه آنها ذکر شد) همچنین قادر به چاپ سه بعدی زیستی بافت کبدی بود، و در سال 2018 برای پیوند دادن آنها در موش های زنده فراتر رفت. نتایج بسیار مثبت بود، با احتباس و عملکرد بافت یک ماه پس از کاشت تأیید شد. در آن زمان ، پیوندهای جزئی کبد برای آزمایشات انسانی در سال 2020 هدف قرار گرفت، اما هنوز محقق نشده است.
محققان برزیلی از دانشگاه سائوپائولو در اواخر سال 2019 از چاپ زیستی موفقیت آمیز “کبد مینیاتور” خبر دادند. این ساختارهای ارگانوئیدی از سلول های خونی انسان بوده و عملکردهای طبیعی کبد مانند تولید پروتئین، ذخیره ویتامین ها و حتی ترشح صفرا را انجام می دهند. به گفته محققان ، کل فرآیند از زمان جمع آوری خون بیمار تا بلوغ نهایی مینی کبد ها ، تقریباً 90 روز طول کشید.
چالش های پرینت زیستی قلب
امیدوار کننده ترین پروژه های اندام های پرینت زیستی سه بعدی برای قلب هستند. درمقایسه اندام ها، قلب در واقع یکی از آسانترین موارد برای بازسازی است زیرا از هیچ واکنش پیچیده بیوشیمیایی استفاده نمی کند. بلکه عملکرد اصلی آن این است که به عنوان پمپ هیدرولیک عمل کند.
موسسه پزشکی احیا کننده جنگل ویک (WFIRM) یک موسسه تحقیقاتی آمریکایی است که برای کاربردهای مختلف از جمله پیوند ، مهندسی بافت متمرکز شده است. در سال 2018 ، یک گروه تحقیقاتی WFRIM ادعا کرد که با استفاده از سلولهای موش ، بافت عملکردی سه بعدی بیو چاپ شده است.
در سال 2019 محققان دانشکده زیست سلولی و بیوتکنولوژی سلول های مولکولی دانشگاهی در خاورمیانه جهان را با اولین قلب مینی انسان چاپ شده سه بعدی کاملاً عروقی، لرزاندند. این اندام بیو پرینت از سلولهای انسانی گرفته شده از بیمار و ژلهای حامل ساخته شده است. تیم TAU اکنون در تلاش است سلولهای قلبی را بالغ کرده و آنها را کاملاً کاربردی کند.
شرکت Biolife4D مستقر در شیکاگو نیز در سال 2019 با اعلام قلب بیو پرینت خود، دستیابی به موفقیت مشابه را انجام داده است. با این وجود، این مورد در مقایسه با دانشگاه توسعه یافته در دانشگاهی در خاورمیانه از نظر عملکردی گسترش یافته و بسیار بزرگتر است.
با موفقیت های بسیار مهم در چند سال گذشته ، متخصصان پیش بینی کرده اند که قلب بیو پرینت آماده برای پیوند می تواند در طی این دهه در دسترس باشد.
چاپ سه بعدی قرنیه در کمتر از 10 دقیقه!
قرنیه لایه واضح و بیرونی چشم است. این برای کمک به تمرکز بینایی و محافظت از چشم در برابر محیط ضروری است. میلیون ها نفر در سراسر جهان به دلیل بیماری یا زخم از کوری قرنیه رنج می برند ، که اغلب به پیوند قرنیه نیاز دارند.
در سال 2018 دانشمندان دانشگاه نیوکاسل توانستند برای اولین بار قرنیه انسان را به صورت سه بعدی توسط پرینتر سه بعدی زیستی چاپ کنند. با ترکیب سلولهای بنیادی با آلژینات و کلاژن ، یک bioink بی نظیر ایجاد شد که می تواند به صورت دایره ای اکسترود شود و در کمتر از 10 دقیقه به شکل قرنیه درآید.
در حالی که پروژه دانشگاه نیوکاسل یک پروژه اثبات کننده مفهومی بود، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه مارمارا در ترکیه یکی را به طور بالقوه برای پیوند مناسب ساخته است. مقاله تحت عنوان قرنیه مصنوعی چاپ سه بعدی برای پیوند استرومایی قرنیه در ژوئن سال 2020 منتشر شد و نویدبخش بسیاری است.
فرآیند پرینت به یک قالب آلومینیومی متکی است که در آن مواد مبتنی بر PVA توسط یک چاپگر زیستی سه بعدی مانند FDM پرینت می شود. ماده bioink در آزمایشات اولیه سازگاری زیادی را نشان داد و عملکرد نوری قرنیه از طریق میکروسکوپ الکترونی ویژه و اسپکتروفتومتری UV تأیید شد.
