بناء طبقة واحدة من القلب في كل مرة باستخدام تقنيات الطباعة الحيوية المتقدمة ثلاثية الأبعاد
باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة، يريد مارك سكايلر سكوت وفريقه من مهندسي الأحياء في جامعة ستانفورد تحويل عجينة مصنوعة من الخلايا الحية إلى قلوب وأعضاء أخرى.
بالنسبة للمهندس، فإن القليل من الأعضاء البشرية أكثر إغراء من قلب الإنسان.
تضخ غرفها في انسجام تام؛ موادها مرنة، ومع ذلك يتم التعاقد عليها عند الطلب؛ يتم ضبط شكله وحركته بشكل مثالي لضغط السوائل بكفاءة عبر الجسم بالكامل.
إنها أعجوبة هيكلية – ولكن عندما يحدث خطأ ما داخل هذا الهيكل، فإن التعقيد المتأصل فيه يجعل من الصعب إصلاحه.
ونتيجة لذلك، يتعين على الآلاف من المرضى الشباب المصابين باضطرابات القلب الخلقية التعامل مع مرضهم مدى الحياة.
يقول مارك سكايلار سكوت، الأستاذ المساعد في الهندسة الحيوية في كليات الهندسة والطب: “تعد أمراض القلب لدى الأطفال أحد أكثر أشكال العيوب الخلقية شيوعًا في الولايات المتحدة”.
“إنه أمر صعب حقًا على العائلات. هناك طرق لإطالة عمر الأطفال بالجراحة، لكن العديد من الأطفال يعانون من قيود على النشاط ويعيشون حياة مليئة بعدم اليقين.
للحصول على حل علاجي حقيقي، ستحتاج إلى استبدال الأنسجة التالفة أو المشوهة بطريقة ما “.
يعمل علماء جامعة ستانفورد على تصنيع أنسجة بشرية على نطاق علاجي، مع التركيز على القلب. الائتمان: كورت هيكمان
وهنا يأتي دور سكايلر سكوت. إنه يعمل على طرق جديدة للتعامل مع أمراض القلب الخلقية من خلال بناء أنسجة القلب المهندسة في المختبر.
وأشار إلى أن الأمر يتطلب أكثر من مجرد زراعة الخلايا في طبق. تقوم معظم التقنيات الحالية ببذر خلايا القلب أو الخلايا الجذعية على “سقالة” مؤقتة: مادة إسفنجية مسامية يمكنها تثبيتها في مكانها ضمن ثلاثة أبعاد.
على الرغم من أن هذه الطريقة تتيح للباحثين زراعة الأنسجة المخبرية، إلا أنها عملية فقط لطبقات رقيقة للغاية من الخلايا.
“إذا كانت لديك سقالة بسماكة بضع خلايا فقط، فيمكنك وضع الخلايا في المكان المناسب. ولكن إذا حاولت زراعة شيء يبلغ سمكه سنتيمترًا واحدًا، فسيكون من الصعب حقًا زرع الخلايا في الأماكن الصحيحة لنمو الأنسجة.
يقول سكايلار سكوت: “يصبح من الصعب إبقائهم على قيد الحياة، أو الحصول على العناصر الغذائية المناسبة لهم، أو الحصول على الأوعية الدموية لهم”.
ويضيف أن الأعضاء البشرية ليست أيضًا كرات خلايا متجانسة. تتكون كل واحدة من طبقات معقدة من أنواع خلايا متعددة، مما ينتج عنه بنية ثلاثية الأبعاد يصعب تكرارها بشكل لا يصدق.
طباعة عضويات
للتغلب على هذه الحقيقة، يعمل سكايلر سكوت وفريقه على زاوية جديدة وجريئة لنمو الأعضاء.
باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة، يقومون بتصنيع أنسجة سميكة طبقة واحدة في كل مرة، ووضع النوع الدقيق من الخلايا المطلوبة في الأماكن الصحيحة مثل برج يرتفع من شبكة من الطوب الموضوعة بعناية.
يلاحظ أن هذا النوع من طرق البناء يعمل جيدًا لتكرار الأنسجة المعقدة مثل القلب، حيث يكون الشكل ثلاثي الأبعاد مهمًا بشكل كبير لوظيفته.
على الرغم من أنها واعدة، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد بالخلايا تأتي مع بعض التحديات العميقة والشائكة.
على عكس الخيوط البلاستيكية، التي يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد للمستهلكين تسخينها والضغط عليها في أشكال لا تعد ولا تحصى، الخلايا حية. يقول سكايلار سكوت إنها ناعمة، إسفنجية، ناقصة، وهشة بشكل محبط.
تقوم الطابعة الحيوية ثلاثية الأبعاد بطباعة عينة. الائتمان: أندرو برودهيد
“إذا حاولت وضع خلية واحدة في وقت واحد، فقد تستغرق طباعة الكبد أو القلب مئات أو آلاف السنين. حتى لو كنت تقوم بعمل 1000 خلية في الثانية، فلا يزال عليك وضع مليارات الخلايا للحصول على العضو.
إذا قمت بإجراء العمليات الحسابية، فلن يكون ذلك جيدًا للغاية بالنسبة لعملية قابلة للتطوير، “كما يقول.
بدلاً من ذلك، يعمل سكايلر سكوت ومختبره على تسريع عملية الطباعة من خلال وضع كتل كثيفة من الخلايا تسمى “عضويات”.
تقوم المجموعة بتكوين هذه الكتل عن طريق وضع الخلايا الجذعية المعدلة وراثيًا في جهاز طرد مركزي، مما ينتج عنه مادة تشبه الباستيل.
باستخدام هذا الخليط، يمكنهم طباعة عدد كبير من الخلايا في وقت واحد في بنية ثلاثية الأبعاد هلامية. يقول: “نحن نحدد أساسًا الهيكل الواسع النطاق للعضو عن طريق طباعة هذه العضيات”.
برمجة الخلية
ومع ذلك، فإن الحصول على الخلايا الجذعية في مكانها ليس سوى الخطوة الأولى.
بمجرد طباعتها، يجب على الباحثين إقناعهم بطريقة ما بالتمايز إلى أنواع خلايا أكثر تحديدًا، وتشكيل مجموعة متعددة الطبقات من مجموعات الخلايا العاملة التي تشبه أنسجة الأعضاء السليمة.
لتحقيق ذلك، تقوم سكايلر سكوت بشكل أساسي بغسل الخلايا الجذعية في كوكتيل كيميائي.
ويشير إلى أن “كل خط من الخلايا الجذعية التي نقوم بتطويرها مصمم وراثيًا للاستجابة لعقار معين”. “بمجرد أن يشعروا بهذا الدواء، فإنهم يتمايزون إلى أنواع خلايا معينة.”
تتم برمجة بعض الخلايا لتصبح خلايا عضلية القلب، وهي خلايا القلب التي تشكل النسيج الوظيفي الأساسي داخل القلب. يُطلب من الآخرين أن يصبحوا خلايا انسجة، تربط الأنسجة معًا.
يقوم Skylar-Scott باختبار أنسجته المطبوعة في مفاعل حيوي، وهي حاوية بحجم الهاتف الذكي تقريبًا تساعد في الحفاظ على الخلايا المطبوعة حية.
داخلها، تمكن فريقه من تطوير هيكل مطبوع يشبه العضو: أنبوب يبلغ طوله حوالي 2 بوصة، وقطره نصف سنتيمتر. مثل الوريد داخل جسم الإنسان، يمكن لهذا الجهاز الصغير “ضخ” من تلقاء نفسه، والتقلص والتمدد لتحريك السائل من خلاله.
يقول سكايلار سكوت: “إذا تمكنا من تطوير المزيد من الأنسجة مثل هذا، فقد يكون لدينا نقطة منتصف الطريق لبناء شيء يمكن زرعه في جسم الإنسان”.
“بالنسبة للمرضى الذين يولدون ببطين واحد، على سبيل المثال، هناك حجرة واحدة فقط في القلب يمكنها دفع الدم إلى داخل الجسم والرئتين – مما يضع ضغطًا كبيرًا على نظام القلب والأوعية الدموية ويسبب ارتفاع ضغط الدم الذي يمكن أن يؤدي إلى تكوين الأعضاء.
ضرر. شيء من هذا القبيل يمكن أن يعمل كجهاز ضخ بيولوجي لمساعدة الدم في الوصول إلى القلب ومنه “، كما يقول.
زيادة
سكايلر-سكوت سريعًا في ملاحظة أن طباعة هيكل أكبر، مثل غرفة وظيفية لتطعيم قلب موجود، لا يزال بعيد المنال. إن إنشاء ذلك يعني زراعة شيء يزيد حجمه عن 16 ضعف حجم “مضخة الوريد” التجريبية في مختبره.
من أجل إنتاج شيء قريب من هذا الحجم – أو الأفضل من ذلك، عضو جديد بالكامل – سيحتاج مختبره إلى زيادة إنتاج الخلايا بشكل هائل.
تقول سكايلر سكوت: “سيكون التوسع هو التحدي الذي يواجه جيلنا”. ومع ذلك، سيعني ذلك مجرد بناء طابعة أكبر. من نواح كثيرة، يصل الأمر إلى الخلايا نفسها.
“في الوقت الحالي، يستغرق الأمر شهرًا لتنمو خلايا كافية لطباعة شيء صغير. كما أن القيام بذلك أمر مكلف للغاية – فكل اختبار يمثل عشرات الآلاف من الدولارات “.
“نحتاج إلى اكتشاف طرق لهندسة الخلايا لجعلها أكثر قوة وأرخص في النمو، حتى نتمكن من البدء في ممارسة هذه الطريقة وإتقانها. بمجرد وضع خط الأنابيب للخلايا الجديدة، أعتقد أننا سنبدأ في رؤية بعض التقدم المذهل “.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
