پزشکی بازساختی و سلول‌های بنیادی

 سال گذشته، در سن آنتونیو، تگزاس، دکتر آرتورو بونیلا با احتیاط گوش خارجی را روی سر یک زن 20 ساله که بدون گوش متولد شده بود کاشت.  گوش سمت راست زن به اندازه و شکل سمت چپ او ساخته شده بود.

 برای بونیلا، جراح میکروشیا اطفال (پزشکی که نقایص مادرزادی گوش را درمان می کند) بیش از 25 سال و متخصص شناخته شده در این زمینه، چنین روشی معمولاً عادی است.  اما این مورد پیچیدگی خاص خود را نیز داشت: برای اولین بار، گوش او محصول یک چاپگر زیستی سه بعدی با استفاده از سلول های غضروف خود زن بود.

 از قلمرو داستان های تقریباً تخیلی گرفته تا جرقه ایده تا علم واقعی، پرینت زیستی سه بعدی در تمام جنبه های تحقیقات پزشکی - و در حال حاضر، در حال پیشرفت است.

 پروفسور تال دویر، مدیر مهندسی بافت و پزشکی بازساختی در دانشگاه تل آویو در اسرائیل، میگوید: «من فکر میکنم تا 10 سال دیگر اعضایی برای پیوند خواهیم داشت.  ما با اندام های سادهای مانند پوست و غضروف شروع میکنیم، اما سپس به بافتهای پیچیدهتر میرویم - در نهایت قلب، کبد، کلیه ها.»

 آینده پرینت زیستی سه بعدی فوق العاده به نظر می رسد، اما در حال حاضر اتفاق خوبی دارد می افتد.  پوست چند لایه، استخوانها، ساختارهای ماهیچهای، رگهای خونی، بافت شبکیه و حتی اندامهای کوچک همگی به صورت سه بعدی چاپ شده اند.  در حالی که هیچ یک از محصولات چاپ شده هنوز برای استفاده انسانی تایید نشده اند، مسابقه تا جدول زمانی علمی نفس گیر است و عمل گوش بونیلا، اولین بیوپرینت سه بعدی از سلول های زنده که در انسان کاشته می شود، لحظه مهمی را در این پیشرفت نشان می دهد.

 طبق چکیده سال 2022 و دکتر میکال وزولا، خالق پانکراس بیونیک، محققان در لهستان نمونه اولیه عملکردی پانکراس را چاپ کردند که در آن جریان خون پایدار در خوکها طی یک دوره دو هفتهای مشاهده شد.  شرکت United Therapeutics یک داربست ریه انسان را با 4000 کیلومتر مویرگ و 200 میلیون آلوئول (کیسههای هوایی کوچک) چاپ سه بعدی کرده است که قادر به تبادل اکسیژن در مدلهای حیوانی هستند - گامی حیاتی در جهت ایجاد ریههای قابل تحمل و قابل پیوند انسان با هدف پاکسازی که برای آزمایشهای انسانی در طی پنج سال اینده طراحی می شوند.

 در مؤسسه پزشکی بازساختی ویک فارست، دانشمندان یک سیستم چاپ زیستی پوست سیار ایجاد کردهاند.  در آیندهای نه چندان دور، آنها پیشبینی میکنند که بتوانند چاپگر را درست روی بالین بیمار مبتلا به یک زخم غیرقابل التیام مانند سوختگی بغلتانند، سپس ناحیه زخم را اسکن و اندازه گیری کنند. سپس به صورت یک لایه، مستقیماً روی سطح زخم پوست جدید را چاپ کنند. پیشرفت های جدید، شامل ساختارهای ماهیچه ای اسکلتی چاپ سه بعدی شده هستند که نشان داده شده است در جوندگان منقبض میشوند و بیش از ۸۰ درصد از عملکرد عضلانی از دست رفته قبلی را در عضله قدامی ساق در عرض هشت هفته به دست می آورند.

 آزمایشگاه خود Dvir یک قلب «به اندازه خرگوش» با چاپ سهبعدی تولید کرده است که مملو از سلولها، اتاقک ها، رگهای خونی اصلی و ضربان قلب است.  پروفسور خاطرنشان می کند که قلب انسان در مقیاس کامل به همان فناوری اولیه نیاز دارد، اگرچه روند افزایش مقیاس بسیار پیچیده است.  Dvir می گوید: «ما اکنون روی سلول های ضربان ساز، سلول های دهلیزی، سلول های بطنی کار می کنیم.  "اما خوب به نظر می رسد.  من معتقدم این آینده نویدبخش است.»

 توانایی پرینت سه بعدی اندام های انسان مفهومی شگفت انگیز است.  به گفته اداره منابع و خدمات بهداشتی فدرال، نزدیک به 106000 آمریکایی در حال حاضر در لیست انتظار برای اهدای عضو هستند و 17 نفر هر روز در حال انتظار جان خود را از دست می دهند.  فرآیند چاپ سه بعدی که از سلول های خود بیمار برای رشد اندام ها استفاده می کند، نه تنها به طور بالقوه این لیست انتظار را محدود می کند، بلکه به طور چشمگیری شانس رد عضو را کاهش می دهد و احتمالاً نیاز به داروهای مضر سرکوب کننده ایمنی مادام العمر را از بین می برد.

 توانایی قرار دادن انواع سلولهای مختلف در مکانهای دقیق برای ساختن یک بافت پیچیده، و قابلیت یکپارچهسازی عروق خونی که میتوانند اکسیژن و مواد مغذی لازم را برای زنده نگه داشتن سلولها ارائه دهند، دو تکنیک (سه بعدی) هستند که مهندسی بافت را متحول میکنند.  مارک اسکایلار اسکات، استادیار بخش مهندسی زیستی دانشگاه استنفورد می گوید.  این زمینه در دو دهه گذشته بسیار سریع حرکت کرده است، از مثانه های چاپی به بافت های بسیار سلولی با عروقی که می توانند به پمپ متصل شوند – و مدلهای سه بعدی پیچیده که شبیه اجزای قلب با سلولهای قلبی یکپارچه هستند.»

 در چاپ زیستی سه بعدی، نام بازی سلول است.  این فرآیند با تولید سلولهایی آغاز میشود که محققان میخواهند چاپ زیستی کنند و سپس دستور داده میشود تا به انواع سلولهای خاص تبدیل شوند.  سپس سلولها به یک جوهر زنده قابل چاپ یا بیواینک تبدیل میشوند که شامل مخلوط کردن آنها با موادی مانند ژلاتین یا آلژینات میشود تا قوام خمیردندانی به آنها بدهد.  آزمایشگاه استنفورد در حال مطالعه این است که چگونه سلولهای بنیادی میتوانند به طور طبیعی چنین قوامی را در صورت فشرده شدن با هم در چگالی بالا ایجاد کنند، که می تواند منجر به پرینت سه بعدی اعضای بدن شود که دقیقاً از سلولهای خود بیمار ساخته میشوند.

 اسکایلار-اسکات میگوید که جوهر زیستی در سرنگها قرار میگیرد و از نازل بیرون میآید «مانند مایه کیک».  این فرآیند واقعی پرینت زیستی سه بعدی است و معمولاً شامل قرار دادن انواع سلول های مختلف است که هر کدام در نازل متفاوتی بارگذاری می شوند.  (Dvir میگوید چاپ قلب کوچک حدود چهار ساعت طول کشید.) پس از اتمام آن، بافت گاهی اوقات به پمپی متصل میشود که اکسیژن و مواد مغذی را از طریق آن میبرد.  با توجه به زمان، بافت به خودی خود رشد می کند و هم در بلوغ و هم عملکرد آن افزایش می یابد.

 این فرآیند کلی، اگرچه در اینجا به طور چشمگیری بیش از حد ساده شده است، چیزی است که منجر به تولید قسمت خارجی گوش شد که آرتورو بونیلا در بیمار خود در تگزاس کاشت.  در اکثر جراحی های قبلی میکروتیا، بونیلا گوش جدیدی را از غضروف برگرفته از دنده های بیمار حک می کرد.  در عوض، بیوپسی کوچکی روی گوش دیگر بیمار انجام

شد و سلول های غضروفی که از نمونهبرداری گرفته شده بود به میلیاردها سلول تبدیل شدند که به صورت سه بعدی در ایمپلنت جدید چاپ شدند.

 بونیلا میگوید: «همانند هر مطالعهای، احتمالاً تکرارهایی در بیماران آینده برای تلاش برای بهبود این تکنیک وجود خواهد داشت.  ما مطمئن نیستیم که چه زمانی این درمان اصلی دردسترس خواهد بود، اما آینده بسیار هیجان انگیز است.

 دانشمندان ویک فارست سالهاست که اندامها و بافتها را در آزمایشگاه رشد میدهند.  آنها از پرینت سه بعدی برای ایجاد در آزمایشگاه در اصل یک کلیه و یک کبد کوچک استفاده کرده اند.  چالش بعدی: ساختارهای بزرگتر و جامد که عملکرد اندام را به طور کامل تقلید می کنند.  جنیفر لوئیس، پروفسور Wyss مهندسی الهام گرفته از زیست شناسی در دانشگاه هاروارد میگوید: «ما تا رسیدن به این هدف در مقیاس اندام فاصله کمی داریم.

 آنتونی آتالا، مدیر مؤسسه ویک فارست میگوید: «ما توانسته ایم ساختارهای مسطح مانند پوست، ساختارهای لولهای مانند رگ های خونی یا اندام های توخالی و غیر لوله ای مانند مثانه را چاپ کنیم.  آتالا می گوید، اندام های جامد بزرگتر به دلیل چالش با عروق یا تغذیه متفاوت هستند. در آنها سلولهای زیادی در هر سانتیمتر وجود دارد.»

 از برخی جهات با تولید سلول، موضوع کیفیت است.  دانشمندان توانسته اند از سلولهای بنیادی یک سلول قلبی بسازند، اما نه سلولی که به شدت سلول های قلب شما میتپد.  همین امر در مورد سلول های کبد (متابولیسم) و سلول های کلیه (جذب فیلتر) صادق است.  اسکایلر-اسکات میگوید: «از برخی جهات، حوزه چاپ زیستی سه بعدی منتظر زیست شناسان پایه است تا به پیشرفت های بزرگ خود دست یابند.»

 بحث کمیت هم هست  تال دیویر میگوید که ایجاد قلب به «میلیاردها سلول» نیاز دارد و شما به سلولهای مختلف، حتی سلولهای قلبی متفاوت نیاز دارید.  طبق گفته اسکایلر-اسکات، برای ساخت سلول های کافی برای یک اندام، یک مرکز به یک خمره هم زده 10 لیتری نیاز دارد که ممکن است برای تغذیه آن 5000 دلار در روز هزینه داشته باشد.  و هدف نهایی هزاران عضو در ماه است نه یک عضو.

 دن کوهن، مدیر عامل و یکی از بنیانگذاران 3D Bio می گوید: فراتر از همه اینها، سؤالاتی در مورد چگونگی ادغام بافت در بدن و نحوه پشتیبانی آن توسط بدن وجود دارد، از جمله شبکه های پیچیده رگ های خونی، اعصاب و انواع سلول های متعدد.  درمان.  کوهن، که 20 سال پیش کار در زمینه چاپ زیستی را آغاز کرد، زمانی که نام رسمی نداشت، می گوید: «به این معنا نیست که نمی توان این کار را انجام داد.  من امید زیادی به چاپ زیستی و پزشکی بازساختی به طور گستردهتری دارم.»

 حتی در کوتاه مدت، پیشرفت به خوبی مشخص است.  به گفته لوئیس، محققان دانشگاه هاروارد، سلولهای قلبی را از سلولهای بنیادی پرتوان انسان تولید کردند، سپس آنها را بر روی یک تراشه مهندسی زیستی با حسگرهای یکپارچه که میتواند بافت ضربان را ردیابی کند، کاشتند.  این قلب روی یک تراشه با چاپ سه بعدی میتواند برای آزمایش داروهای قلبی مختلف از نظر عوارض جانبی بالقوه سمی استفاده شود و ممکن است نیاز به آزمایش حیوانی را کاهش دهد. (فناوری مشابه ALS روی تراشه برای غربالگری استفاده میشود  برای کاندیدهای دارویی و درک بهتر مکانیسم های زمینه ای آن بیماری.)

 آتالا از ویک فارست می گوید: «چاپگر سه بعدی چندین مزیت به شما می دهد.  اولین مورد افزایش مقیاس است، زیرا به جای اینکه این (بافت ها و اندام ها) را با دست یکی یکی بسازید، می توانید چاپگر را خودکار برنامه ریزی کنید تا این کار را انجام دهد.  نکته دوم دقت است.  ما میتوانیم سلولها را بهطور دقیقتر در جایی که لازم است پیدا کنیم.»

 همچنین مفهوم هزینه کلی پایینتر وجود دارد، زیرا چاپ سه بعدی امکان افزایش مقیاس را فراهم میکند.  چیزی وجود دارد که آتالا آن را «تکرارپذیری» می نامد، روشی برای تولید دوباره و دوباره همان ساختار.  و از نظر پیوند عضو، یک عضو جدید ساخته شده از سلول های خود بیمار، احتمال رد را بسیار کمتر می کند.

 اکثر محققان ایده پیوند عضو پرینت سه بعدی در اندازه کامل را در انسان بین 20 تا 30 سال دیگر می دانند.  "در نهایت، با نگاهی به آینده، ما به قلب اهدا کننده نیاز نخواهیم داشت.  دویر میگوید ما به کبد نیاز نداریم.  این نظر من است و من خوشبین هستم، اما فکر می کنم کمتر از 20 سال دیگر، اندام های چاپی در درون خود خواهیم داشت.»


https://fortune.com/well/2023/02/15/3d-printed-organs-may-soon-be-a-reality/amp/