زمانی که انسان کاملا مونتاژ می‌شود!

ایسنا:طی دو دهه، چاپ‌ سه‌بعدی از فرایند تولیدی ساده به یک صنعت 2.7 میلیارد دلاری تبدیل شده و مسئول ساخت تمامی انواع اجسام از قبیل اسباب‌بازی‌ها، ساعت‌های مچی، قطعات هواپیما و غذا است. محققان با اعمال چاپ‌سه‌بعدی به حوزه پزشکی‌ در نظر دارند این علم را دستخوش تغییر قابل‌توجهی کنند. این در حالی است که چاپ‌کردن با پلاستیک، فلز یا شکلات بسیار متفاوت‌تر و آسان‌تر از چاپ با سلول‌های زنده است. در آزمایشگاه‌های سراسر جهان، بیومهندسان شروع به چاپ نمونه‌های اولیه اجزای بدن از قبیل دریچه‌های قلب، گوش‌ها، استخوان مصنوعی، مفاصل، تیوب‌های عروقی و پوست کرده‌اند و به ادعای دانشمندان، آن‌ها در حال حاضر دارای توانایی ایفای نقشی در این زمینه هستند که پیش‌تر قادر به انجام آن نبوده‌اند. از سال 2008 تا سال 2011، تعداد مقالات علمی در خصوص چاپ زیستی تقریبا سه برابر شده و سرمایه‌گذاری در این حوزه نیز افزایش یافته است. از سال 2007 به بعد، «موسسه ملی قلب، ریه، خون» متعلق به «موسسه‌های ملی بهداشت» امریکا، جایزه 600 هزار دلاری را به پروژه‌های بیوچاپی اختصاص داده و سال گذشته نیز مرکز Organovo واقع در سن‌دیه‌گو، 24.7 میلیون دلار بودجه برای انجام این فرایند جمع‌آوری کرد. سه عامل در این شکوفایی نقش مهمی را بازی می‌کنند که از آن‌ میان می‌توان به چاپگرهای پیشرفته‌تر، پیشرفت‌هایی در پزشکی احیاکننده و نرم‌افزار اصلاح‌شده «کد» (CAD) اشاره کرد. به منظور چاپ بافت کبد در مرکز «اورگانوو»، یک مهندس رایانه به آسانی با یک ماوس برای ایجاد این بخش از بدن فعالیت می‌کند. بافت کبد که به شکل کندوی عسل است، راهی طولانی تا یک عضو با عملکرد کامل فاصله دارد، اما تلاش محققان گامی قابل‌لمس در این مسیر است. نخستین چاپگرهای زیستی گران یا فانتزی نبودند و به چاپگرهای رومیزی ارزان شباهت داشتند. در سال 2000 یک بیومهندس به نام توماس بولاند، خود را «پدربزرگ چاپ‌زیستی» توصیف کرد و یک چاپگر Lexmark در آزمایشگاهش در دانشگاه کلمسون امریکا داشت. دانشمندان پیش‌تر چا‌پگرهای جوهرافشان را برای چاپ بخش‌های دی ن ای با هدف مطالعه بیان ژنتیکی اصلاح کرده‌ بودند. بولاند تصور می‌کرد چنانچه یک جوهرافشان بتواند ژن‌هایی را چاپ کند، شاید همان نرم‌افزار بتواند دیگر مواد زیستی را نیز چاپ کند. کوچک‌ترین سلول‌های انسانی 10 میکرومتر هستند و این عدد تقریبا با ابعاد قطرات کوچک جوهر استاندارد برابری می‌کند. بولاند در مطالعاتش کارتریج جوهر Lexmark را خالی کرد و آن را با کلاژن پر کرد. وی سپس یک کاغذ سیلیکون مشکی و باریک را بر روی کاغذ سفید چسباند و آن را به درون چاپگر فرو برد. وی همچنین یک فایل Word را بر روی رایانه شخصی‌اش قرار داد، حروف اولیه نام خود را تایپ کرد و دگمه چاپ را زد و یک کاغذ دارای حروف " TB" که به وضوح بر روی پروتئین‌ها ترسیم شده بود، از سیستم بیرون آمد. تا سال 2000، بولاند و تیمش یک سیستم Hewlett-Packard DeskJet 550C را برای چاپ با باکتری‌های E. coli پیکربندی کرده بودند. آن‌ها سپس از سلول‌های بزرگتر پستانداران متعلق به موش‌های آزمایشگاهی چینی استفاده کردند. پس از چاپ، 90 درصد از سلول‌ها مناسب رشد ماندند و این به معنای کارآمدی محصول بود. در سال 2003، بولاند نخستین امتیاز اختراع را برای سلول‌های در حال چاپ به نام خود ثبت کرد. در حالی که آزمایشگاه بولاند با مشکل چاپ زیستی دست و پنجه نرم می‌کرد، دیگر مهندسان چاپگرهای سه‌بعدی را به چالش‌های پزشکی مختلف اعمال می‌کردند. آن‌ها گرافت‌های استخوان را از سرامیک، تاج‌های دندان را از پورسلین، سمعک‌ها را از آکریلیک و جوارح پروتز را از پلیمر چاپ می‌کردند. این مهندسان در واقع، دارای مزیتی بودند که بولاند و همکارانش از آن برخوردار نبودند و آن‌ها می‌توانستند به جای دو بعد با سه‌بعد چاپ کنند. به دنبال آن، بولاند و دیگر پیشگامان چاپ‌زیستی چاپگرهای خود را اصلاح کردند. آن‌ها مکانیسم‌های کاغذمحور موجود در جوهرافشان‌هایشان را از کار انداختند و پلت‌فرم آسانسورمانندی را به آن افزودند که با موتورهای ویژه‌ کنترل می‌شد. این پلت‌فرم می‌توانست در طول محور z به سمت بالا و پایین حرکت کند. با این عمل، آن‌ها می‌توانستند یک لایه از سلول‌ها را چاپ کنند، سپس پلت‌فرم را پایین‌تر بیاورند و لایه دیگری را چاپ کنند. در این جا بود که مهندسان از طراحی‌کردن حیات بر روی بوم‌های مسطح به ساخت مجسمه‌های زنده رسیدند. «جیمز یوو» محقق موسسه پزشکی احیاکننده «ویک فارست»، این موضوع را یک معجزه توصیف کرد. فارست در حال طراحی چاپگری قابل‌حمل برای پیوند مستقیم پوست بر روی قربانی‌های سوختگی است. به گفته یوو، هر زخمی دارای عمق و ماهیت متفاوت است و با نقشه‌برداری از ناحیه زخم، می‌توان تعداد لایه‌های سلولی مورد نیاز برای بافت subdermal و همچنین ناحیه مخاطی را تعیین کرد. مزیت چاپگر مزبور این است که می‌تواند سلول‌های دقیق‌تری را تحویل دهد. دانشمندان در فرایند چاپ‌سه‌بعدی خود همچنین توانستند با انواع مختلف «جوهر» چاپ کنند. مهندس دانشگاه کورنل به نام «هولد لیپسون» نمونه‌اولیه از نوع از دیگری از بافت به نام غضروف را ارائه داد. به گفته وی، کنترل فضایی بر جا‌ی دادن سلول‌ها هرگز تا این اندازه ممکن نشده و این امر ابعاد چندگانه‌ای را پیش ‌روی محققان می‌گذارد. لیپسون و همکارانش تصمیم گرفتند یک قطعه C شکل غضروف را چاپ کند که زانو و دیگر مفاصل را پوشش می‌دهد. این تیم از اسکن‌های سی تی برای خلق فایل CAD از meniscus یک گوسفند استفاده و سلول‌ها را برای چاپ نمونه همسان آن از گوسفند اشتقاق کرد. گرچه meniscus لیپسون ابتدا نویدبخش به نظر می‌رسید، هنگامی که وی آن را به جراحان مفصل نشان داد، آن‌ها اعلام کردند این محصول برای استفاده در بدن بیش از اندازه ضعیف بود، اما لیپسون به تلاش‌هایش برای ارتقا سیستم خود بسیار امیدوار بود. سلول‌ها می‌توانند بسته به بافتی که قرار است به آن تبدیل شوند، دارای مطلوبات ویژه باشند. در حالت meniscus این موضوع می‌تواند به معنی ساخت بیورآکتوری باشد که قادر است از گرما، نور یا پالس‌های شنیداری برای فشار‌دادن بافت به شکل مطلوب استفاده کند. بسیاری از ارگان‌ها ساختارهای بی‌نهایت پیشرفته‌ای‌ هستند که دارای انواع مختلف سلول و عروق پیچیده بوده و برای انجام مسؤولیت اختصاصی‌شان تکامل یافته‌اند. کبد به تنهایی بیش از 500 کارکرد را انجام می‌دهد؛ همچنین مانند ماشین‌، بدن‌ نیز فرسایش می‌یابد و طی زمان و گاهی اوقات به صورت غیرمنتظره، از کار می‌افتد. حتی هنگامی که فرایند پیوندها ممکن می‌شوند، ارگان‌های اهدایی نمی‌توانند سرعتشان را با تقاضا حفظ کنند و بنابراین، زمانی که مهندسان مکانیکی شروع به ساختن چاپگرهای سه‌بعدی اولیه کردند، مهندسان بافت در تلاش برای رشددادن ارگان‌های جایگزین در آزمایشگاه بودند. آن‌ها مطالعاتشان را با پیپت‌کردن با دست سلول‌ها به درون پتری‌دیش‌ها آغاز کردند. سپس با رهبری آنتونی آتالا در موسسه پزشکی احیایی ویک فارست، محققان شروع به کاشت این سلول‌ها بر روی داربست‌های مصنوعی کردند. این داربست‌ها که از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر یا کلاژن ساخته شده بودند، ماتریکس موقتی به سلول‌ها برای به هم‌پیوستن می‌داد تا زمانی که برای عملکرد مستقل به اندازه‌ کافی قوی شوند. محصول نهایی بسیار رضایت‌بخش بود و آتالا با موفقیت، در سال‌های 1999 تا 2001 نخستین ارگان‌های رشدکرده در آزمایشگاه (مثانه‌ها) را به هفت بیمار در بیمارستان کودکان بوستون پیوند داد. محققان خیلی زود از چاپگرهای سه‌بعدی برای ساخت داربست‌های دقیق‌تر استفاده کردند؛ با این حال، قراردادن دستی سلول‌ها بر روی آن‌ها کماکان فرایندی دشوار و زمانبر بود. در ویک فارست، تیم‌های یوو و آتالا چاپگرهای سفارشی ساختند که سریع‌تر از جوهرافشان‌های اصلاح‌شده بودند و می‌توانند انواع بسیار بیشتری از سلول‌ها مانند سلول‌های بنیادی، سلول‌های عضله و سلول‌های عروقی را چاپ کنند. آن‌ها همچنین چاپگری را برای خلق تک‌مرحله‌ای هر دوی داربست‌ها و بافت‌های مصنوعی ارائه‌ دادند و هم اکنون در حال استفاده از آن برای تولید گوش‌های ظریف، دماغ و استخوان‌ها هستند. داربست‌ها بافت‌های ثبات‌پذیر مکانیکی ارائه می‌دهند و می‌توان از آن‌ها برای تحویل ژن‌ها و مولفه‌های رشد به سلول‌های در حال رشد استفاده کرد، اما در حالت پلیمرها، آن‌ها مواد خارجی را به درون بدن وارد می‌کنند و موجب التهاب می‌شوند. انواع سلول‌ها نیز به مواد داربست خاص واکنش‌های مختلفی دارند، بنابراین هر چه ارگان پیچیده‌تر باشد، چهارچوب پیشرفته‌تری نیز لازم است. در نتیجه، گابر فورگاکس، یکی از موسسان اورگانوو و فیزیکدان زیستی دانشگاه میسوری، معتقد است داربست‌ها ضرورتی ندارند. طرح فورگاکس چاپ‌ عضوی است که به طور کامل از بافت زنده انسان تشکیل شده و می‌تواند خود را مونتاژ کند. در میسوری، فورگاکس مورفوژنز را بررسی کرد که تعیین می‌کند چگونه سلول‌ها طی رشد جنینی، اعضا را شکل می‌دهند. با چیدن تجمع‌های سلولی (کره‌های ریز حاوی هزاران سلول) به درون یک دایره، تیم آزمایشگاهی وی توانست ادغام‌شدن آن‌ها و شکل‌گیری ساختارهای جدید را نظاره کند. دریافت بودجه از بنیان ملی علوم، فورگاکس و تیمش را قادر ساخت از چاپگرهای زیستی به جای قراردادن دستی تجمع‌ها استفاده کنند و این موضوع تحقیق آن‌ها را متحول ساخت. استفاده از یک چاپگر زیستی نشان داد تجمع‌های حاوی انواع مختلف سلول، بدون دخالت انسان یا سرنخ‌های محیطی می‌توانند با یکدیگر ادغام شوند. از لحاظ زیستی، هنوز یک چالش جدید وجود دارد و آن این که یک عضو به شبکه‌ای از شریان‌های خونی برای توزیع مواد مغذی و اکسیژن نیاز دارد و بدون این کارکرد، سلول‌ها خواهند مرد. محققان اورگانوو عروق نسبتا قوی را با چاپ‌کردن پرکننده (از قبیل هیدروژل) در میان تیوب‌های سلول‌های بافتی ساخته‌اند. این پرکننده را بعدا می‌توان حذف کرد تا کانال‌های خالی را برای سلول‌های خونی به جا بگذارد. ابراهیم اوزبولات، مهندس مکانیک دانشگاه آیووا، نیز چاپگر زیستی را ابداع کرده که از بازوهای چندگانه متحرک برای انباشت‌کردن همزمان یک شبکه شریانی و تجمع‌های سلولی استفاده می‌کند. به گفته وی، ساخت عروق بسیار کوچک یا همان شریان‌های خونی مومانند که شریان‌های بزرگ‌تر را به سلول‌ها متصل می‌کنند، دو سال زمان می‌برد. آنچه چاپگرهای زیستی ‌هماکنون فقدان آن را حس می‌کنند، وجود یک نرم‌افزار زیستی پیشرفته است. با وجود این فناوری یک اسکنر سه‌بعدی می‌تواند فایل «کد» (CAD) را ظرف چند دقیقه ایجاد کند و این طرح را برای چاپگر سه‌بعدی آپلود کند. به تازگی تیمی از دانشمندان پلت‌فرم وب‌محوری را برای مدلبندی مولکولی در مقیاس نانو و شبیه‌سازی‌هایی برای زیست‌شناسی سلولی ارائه داده‌اند. محققان در نظر دارند تجمع‌های سلولی را به طور دیجیتالی طراحی کنند، یک دگمه «اینتر» را فشار دهند و ظرف چند ثانیه چگونگی تغییر ساختار و تکامل بافت‌های زنده کامل را تجسم بخشند. نخستین محصول زیستی کامل اورگانوو بافت کبد برای آزمایش دارویی خواهد بود. مسمومیت کبد شایع‌ترین دلیل برای ساخت دارویی از آزمایش‌های بالینی و بازاریابی آن پس از تایید خواهد بود. هنوز هیچ شیوه‌ای برای ارزیابی چگونگی اثرگذاری یک دارو بر کبد انسانی پیش از مصرف آن حتی در درمان‌های حیوانی، وجود ندارد. هدف اوزبولات در دانشگاه آیووا نیز چاپ بافت پانکراس برای درمان گزارش شده است. این بافت فقط از سلول‌های درون‌ریزی ساخته می‌شود که قادر به تولید انسولین هستند. در صورت کاشت در بدن انسان، چنین بافتی می‌تواند قند خون را تنظیم کرده و دیابت نوع 1 را درمان کند. ارگان های قابل‌پیوند چالش نهایی فرایند چاپ‌ سه‌بعدی زیستی خواهد بود، زیرا هم‌اکنون در ایالات متحده 118 هزار نفر در فهرست انتظار گرفتن اهدای عضو هستند. چاپگرهای زیستی همچنین می‌توانند در دانشکده‌های پزشکی کارآمد باشند. دانشجویان در حال حاضر بر روی جسد آموزش می‌بینند، اما هنگام برخورد با فرایندهایی مانند سرطان، هیچ چیز با تجربه واقعی همخوانی ندارد. به جای چاپ‌ بافت سالم، چاپگرهای زیستی می‌توانند ارگان‌های دارای تومور یا دیگر نواقص را بسازند، به طوری که جراحان بتوانند پیش از ورود به اتاق عمل، فرایند جراحی را با آن‌ها تجربه کنند