در دل یکی از شگفتانگیزترین پیشرفتهای مهندسی بافت، پژوهشگران دانشگاه پیتسبرگ موفق به خلق بستری نوآورانه شدهاند: داربستهای بافتی سهبعدی چاپشده از جنس کلاژن که درون یک بیوراکتور چاپ سهبعدی شده قرار گرفتهاند و قادرند تغذیهای شبیه به رگهای خونی واقعی را به سلولها برسانند.
در گذشته، طراحیهای مرسوم برای چنین سیستمهایی متکی به مواد مصنوعی مانند پلاستیک و الاستومرهایی بودند که نهتنها سفت و غیرقابل انعطاف بودند، بلکه ساخت و مهندسی آنها نیز بسیار دشوار بود. اما دنیل شیوارسکی و همکارانش با توسعهی روشی نوین در چاپ زیستی سهبعدی، توانستند بافتهایی نرم، زنده و قابل رشد را بسازند که درون خود شبکههای رگمانند ایجاد میکنند. آنها حتی توانستند بافتهایی از پانکراس را چاپ کنند که قادر به تشخیص گلوکز و ترشح انسولین هستند؛ کشفی که میتواند درمان دیابت نوع یک و حتی تولید اندامهای انسانی را دگرگون کند.
این سکوی مهندسی بافتی که با نام CHIPS (مخفف داربستهای کلاژنی با وضوح بالا و قابلیت خونرسانی درونی) شناخته میشود، محیط طبیعی سلولها را شبیهسازی میکند و به آنها اجازه میدهد که رشد کنند، با یکدیگر تعامل داشته باشند و در نهایت بافتهایی عملکردی بسازند؛ گامی فراتر از مدلهای قدیمی میکروسیال مبتنی بر سیلیکون.
این سکوی جدید نهتنها ابزاری برای مدلسازی بیماریهایی چون دیابت است، بلکه حتی میتواند جایگزینی برای آزمایشهای حیوانی در آینده باشد. همچنین طرحهای این سامانه بهصورت رایگان در دسترس پژوهشگران قرار گرفته تا جرقهای برای نوآوری گستردهتر علمی باشد.
ایدهای که در مرکز این دستاورد قرار دارد، ساده ولی عمیق است: سلولها در محیط مناسب، بهطور ذاتی میدانند چگونه سازمان یابند و عملکرد داشته باشند. رمز کار، طراحی داربستهایی است که ساختارهای طبیعی بدن را تقلید میکنند و سیگنالهای لازم برای رشد و عملکرد سلولها را فراهم میسازند.
شیوَرسکی، استادیار مهندسی زیستی در دانشکده مهندسی سوانسون و عضو مؤسسه پزشکی عروقی دانشگاه پیتسبرگ، داربستهای CHIPS را طراحی کرده است؛ ساختارهایی با وضوح بالا، ساختهشده از کلاژن و دارای قابلیت خونرسانی داخلی. این CHIPSها با راکتورهای اُرگان-روی-چیپ ترکیب میشوند و سامانهای جامع برای مهندسی بافت فراهم میسازند که محیط سلولی واقعی را بهطور دقیق شبیهسازی میکند.
این تیم با همکاری آدام فاینبرگ، استاد مهندسی زیستپزشکی دانشگاه کارنگی ملون، نتایج خود را در شماره آوریل مجلهی Science Advances منتشر کردهاند؛ مقالهای که با عنوان “چاپ سهبعدی داربستهای کلاژنی با وضوح بالا و قابلیت خونرسانی داخلی برای مهندسی سامانههای بافتی کاملاً زیستی” بهعنوان مقالهی جلد برگزیده شد.
پژوهش شیوَرسکی، از فناوری تولید افزایشی (additive manufacturing) و مهندسی بافت برای ساخت بافتهای جایگزین عملکردی و مدلسازی بیماریهایی همچون دیابت و پرفشاری خون بهره میگیرد. مدلهای رایج برای مطالعهی این بیماریها اغلب از میکروچیپهایی با کانالهای باریک ساختهشده از سیلیکون استفاده میکنند که رفتار سلولی یا عروقی را شبیهسازی مینمایند. اما ماهیت مصنوعی این مواد تا حد زیادی توانمندی این مدلها را محدود کرده است — تا اکنون.
شیوَرسکی در این باره میگوید: «دستگاههای میکروسیال به ما کمک میکنند رفتار سلولها را بررسی کنیم، اما ذاتاً محدود هستند. داربستهای کلاژنی ما این محدودیت را میشکنند. چون سلولها بهطور طبیعی در محیط کلاژنی رشد میکنند، ما میتوانیم نهتنها شبکهی ساختاری، بلکه خود سلولها را نیز مستقیماً درون آن چاپ کنیم تا آنها در همان محیط رشد کرده، تعامل داشته و به بافتهای زنده تبدیل شوند.»
برخلاف دستگاههای میکروسیال مصنوعی گذشته، این داربستهای چاپشده بهطور کامل از کلاژن ساخته شدهاند، و این ویژگی به سلولها اجازه میدهد که نهفقط در کنار مدل، بلکه درون آن رشد کنند، خود را سازماندهی نمایند و بافتهایی با عملکرد واقعی تشکیل دهند. این تیم، با ترکیب کلاژن با سلولهای عروقی و پانکراسی، موفق شد تا ترشح انسولین در واکنش به گلوکز را بازسازی کند؛ رفتاری که بسیار شبیه به عملکرد طبیعی بدن است.
برای پشتیبانی از رشد این داربستهای سلولیشدهی کلاژنی، تیم پژوهشی سامانهی بیوراکتور ویژهای به نام VAPOR طراحی کرده است که خونرسانی مداوم و طبیعی به بافت را ممکن میسازد.
با این نوآوریها، مرز میان علم و تخیل علمی هر روز کمرنگتر میشود؛ اکنون دیگر مدلسازی بافتهای زنده و اندامهایی که مانند نمونههای واقعیشان عمل میکنند، تنها در داستانها وجود ندارد — بلکه در آزمایشگاههای دانشگاه پیتسبرگ در حال تحقق است.
