ساخت کبدهای دارای عملکرد با فناوری چاپ سه بعدی

پژوهشگران برزیلی با استفاده از سلول‌های خونی انسان ارگانوئیدهای کبدی (مینی‌کبد) ایجاد کردند که تمام عملکردهای معمول کبد مانند تولید پروتئین‌های حیاتی و ذخیره‌ی ویتامین‌ها و ترشح صفرا را دارد. نوآوری پژوهشگران این امکان را فراهم می‌کند که بافت کبدی در ۹۰ روز در آزمایشگاه تولید و شاید در آینده جایگزین پیوند عضو شود.

مطالعه‌ی جدید فناوری‌های مختلف مهندسی زیستی نظیر برنامه‌ریزی مجدد سلول و کشت سلول‌های بنیادی پرتوان و چاپ زیستی سه‌بعدی را باهم ترکیب می‌کند. به‌‌دلیل این استراتژی، بافت تولیدشده به‌وسیله‌ی چاپگر زیستی عملکردهای کبد را به‌مدت طولانی‌تری درمقایسه‌با آنچه در مطالعات دیگر گزارش شده، حفظ می‌کند. نتایج این پژوهش به‌تازگی در مجله‌ی Biofabrication منتشر شده است. مایانا زاتز، یکی از نویسندگان مقاله‌ی مذکور می‌گوید:

هنوز مراحل زیادی تا رسیدن به ارگان کامل مانده است؛ ولی در مسیر بسیار امیدبخشی قرار داریم. در آینده‌ی بسیار نزدیک، به‌جای انتظارکشیدن برای دریافت عضو پیوندی، شاید بتوان سلول‌های بیمار را گرفت و آن‌ها در آزمایشگاه برای ایجاد کبد جدید مجددا برنامه‌ریزی کرد. مزیت مهم دیگر آن است با‌توجه‌به اینکه سلول‌ها از فرد بیمار می‌آیند، امکان رد پیوند صفر است.

بخش ابتکاری این مطالعه، نحوه‌ی گنجاندن سلول‌ها در جوهر زیستی استفاده‌شده برای تولید بافت در چاپگر سه‌بعدی بود که به‌جای چاپ‌کردن سلول‌ها به‌صورت انفرادی، از روشی استفاده شد که سلول‌ها قبل از چاپ به‌شکل گروهی درکنار هم قرار گیرند. ارنستو گولارت، نویسنده‌ی نخست مقاله می‌گوید:

این توده‌های سلولی یا اسفروئیدها همان چیزی هستند که بافت را تشکیل می‌دهند و عملکرد آن را به‌مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند.

پژوهشگران مطالعه‌ی جدید از این طریق از مشکلی اجتناب کردند که پژوهشگران دیگر در اکثر فناوری‌های چاپ زیستی با آن مواجه می‌شدند؛ یعنی از‌دست‌دادن تدریجی تماس میان سلول‌ها و درنتیجه از‌دست‌رفتن عملکرد بافت. تشکیل اسفروئید در این مطالعه در فرایند تمایز رخ داد؛ یعنی زمانی‌که سلول‌های پرتوان به سلول‌های بافت کبدی تبدیل می‌شدند (هپاتوسیت‌ها و سلول‌های عروقی و سلول‌های مزانشیمی). گولارت می‌گوید:

ما فرایند تمایز را با سلول‌هایی آغاز کردیم که قبلا درکنار هم به‌شکل گروهی قرار گرفته بودند. آن‌ها همراه‌با هم‌زدن در محیط کشت قرار داده و گروه‌ها به‌طور خود‌به‌خود تشکیل شدند.

یک کبد در ۹۰ روز
به‌گفته‌ی پژوهشگران، کل این فرایند، یعنی از جمع‌آوری خون بیمار تا تولید بافت عملکردی، حدود ۹۰ روز طول می‌کشد که می‌تواند به سه مرحله تقسیم شود: تمایز و چاپ و بلوغ. در ابتدا، سلول‌های خونی برای بازگشت به مرحله‌ی پرتوانی سلول‌های بنیادی مجددا برنامه‌ریزی می‌شوند و به سلول‌های بنیادی پرتوان القاشده (iPSCs) تبدیل می‌شوند. شینیا یاماناکا، دانشمند چینی، به‌خاطر توسعه‌ی این تکنیک جایزه‌ی نوبل پزشکی سال ۲۰۱۲ را دریافت کرد. مرحله‌ی بعدی القای تمایز در سلول‌های کبدی است. سپس اسفروئیدها با جوهر زیستی ترکیب و چاپ می‌شوند که مایع هیدروژل‌مانندی است. ساختارهای حاصل ۱۸ روز در محیط کشت می‌مانند و بالغ می‌شوند. گولارت می‌گوید:

فرایند چاپ مستلزم رسوب اسفروئیدها در امتداد سه محور است که برای حجم‌گرفتن مواد و حمایت مناسب از بافت ضروری است. جوهر زیستیِ ژل‌مانند اتصالات عرضی را ایجاد می‌کند تا ساختار محکم‌تر شود و آن‌ را بتوان حتی دست‌کاری و بخیه کرد.

در بیشتر روش‌های فعلی چاپ بافت‌های سه‌بعدی، از غوطه‌وری و پراکنش سلول‌ها در هیدروژل استفاده می‌شود؛ اگرچه آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در این روش به‌تدریج تماس بین سلول‌ها و نیز عملکرد بافت از دست می‌رود. گولارت می‌گوید:

این فرایند نسبتا آسیب‌پذیری برای سلول‌ها است که برای عادت‌کردن به محیط و کسب عملکرد نیاز به زمان دارند. در این مرحله، آن‌ها هنوز بافت نیستند و به‌شکل پراکنده وجود دارند؛ اما همان‌طورکه در مطالعه‌ی ما نشان داده شده است، در‌حال‌حاضر از قدرت پاک‌کردن سموم از خون و تولید و ترشح آلبومین، پروتئین تولید‌شده به‌وسیله‌ی کبد برخوردارند.

در این مطالعه، پژوهشگران با استفاده از سلول‌های خونی سه داوطلب، مینی‌کبدهایی توسعه دادند و نشانگرهای مرتبط با کارایی مانند حفظ تماس سلولی و تولید و آزادکردن پروتئین را مقایسه کردند. گولارت می‌گوید:

اسفروئیدهای ما بسیار بهتر از ساختارهایی کار می‌کردند که از انتشار انفرادی سلول‌ها حاصل می‌شود. همان‌طورکه انتظار می‌رفت، در جریان بلوغ، نشانگرهای عملکرد کبدی کاهش پیدا نکرد.

اگرچه مطالعه‌ی جدید به تولید کبدهای مینیاتوری محدود بود، به‌گفته‌ی گولارت، این فناوری می‌تواند در آینده برای تولید ارگان‌های کامل‌تر و مناسب برای پیوند به‌کار برده شود. او می‌گوید:

ما این کار را در مقیاس کوچکی انجام دادیم؛ ولی درصورت وجود سرمایه و علاقه افزایش مقیاس آن کار ساده‌ای است.