ساخت کبد طبیعی با چاپگر سه‌بعدی همه را شگفت‌زده کرد

محققان برزیلی با استفاده از گلبول‌های خونی موفق به ایجاد ارگانوئید‌های کبدی (کبد‌های کوچک) شده‌اند که می‌توانند تمامی کارکردهای معمولی کبد مانند: تولید پروتئین‌های حیاتی، ذخیره‌سازی ویتامین‌ها و ترشح صفرا را در میان سایر کارکردها، به انجام برسانند. این نوآوری موجب شده تا بتوان بافت‌های کبدی را در آزمایشگاه‌ها، تنها طی 90 روز به تولید رساند. این اقدام حتی می‌تواند که در آینده نیز جایگزین پیوند اعضا شود.

این پژوهش در مرکز تحقیقات سلول‌های بنیادی و ژنوم انسانی (HUG-CELL) انجام شده است. HUG-CELL که توسط دانشگاه سائو پائولو میزبانی می‌شود، یکی از مراکز تحقیقات، نوآوری و انتشار یافته‌ها بوده که توسط بنیاد تحقیقات سائوپائولو تأسیس شده است.

این مطالعه، تکنیک‌های مهندسی زیستی مانند: برنامه‌ریزی مجدد گلبول‌ها و کشت سلو‌ل‌های بنیادی پرتوان را، با چاپ سه‌بعدی زیستی ترکیب کرده است. به لطف این استراتژی، این بافت‌های تولید شده نسبت به نتایج تحقیقات گروه‌های پیشین، عملکردهای کبدی طولانی‌تری را انجام می‌دهند. مایانا زاتز (Mayana Zatz)؛ مدیر HUG-CELL و آخرین نویسنده مقاله منتشر شده در مجله Biofabrication، گفت:

“هنوز باید چند مرحله دیگر را طی کنیم تا بتوانیم که یک عضو کامل را تولید کنیم. اما ما در مسیری هستیم که بسیار نویدبخش است. در آینده‌ای بسیار نزدیک، به جای صبر برای پیوند اعضاء، ممکن است که بتوانیم سلول‌های بیمار را گرفته و آن‌ها را دوباره برنامه‌ریزی کنیم تا بدین شیوه بتوانیم، که یک کبد جدید را در آزمایشگاه به تولید برسانیم. با توجه به اینکه این سلول‌ها متعلق به خود بیمار هستند، یکی دیگر از مزیت‌های مهم این روش را می‌توان احتمال صفر درصدی عدم پذیرش این عضو جدید، توسط بدن بیمار دانست.”

نوآوری این پژوهش در جوهر زیستی نهفته است که برای تولید بافت‌ها در چاپگر سه‌بعدی مورداستفاده قرار می‌گیرد. ارنستو گوالارت (Ernesto Goulart)؛ یکی از اعضای فوق دکترای مؤسسه Institute of Biosciences که تحت نظر سازمان داروسازی ایالات‌متحده قرار داشته و همچنین پژوهشگر اصلی این تحقیق است، گفت:

“به جای چاپ تکی سلول‌ها، ما روشی را توسعه داده‌ایم که در آن می‌توانیم سلول‌ها را پیش از چاپ، در یک گروه قرار دهیم. این توده‌های سلولی و یا همان کروی‌ها، همان چیزهایی هستند که یک بافت را تشکیل داده و باعث افزایش عمر عملکردی آن می‌شوند.”

درنتیجه این اقدام، محققان از مشکلات روش‌های پیشین چاپ بافت‌ها، مانند ضعف اتصالات میان سلولی و درنتیجه ضعف عملکرد بافت‌ها، رهایی پیدا می‌کنند.

در این مطالعه، آرایش کروی در فرآیند تفکیک به وجود آمده بود؛ یعنی جایی که در آن، سلول‌های پرتوان به بافت‌های کبدی تبدیل می‌شدند (سلول‌های کبدی، عروقی و بنیادی). گوالارت اظهار کرد:

“ما با استفاده از سلو‌ل‌هایی که با یکدیگر ترکیب شده بودند، فرآیند تفکیک‌سازی را آغاز کردیم.”

تولید یک کبد در 90 روز

به گفته این محققان، تمامی این فرآیند، از جمع‌آوری خون بیمار گرفته تا تولید بافت‌های عملکردی، حدودا 90 روز زمان می‌برد و این بازه زمانی را می‌توان به سه بخش: تفکیک‌سازی، چاپ و رشد تقسیم کرد.

در ابتدا، گلبول‌های خونی دوباره برنامه‌ریزی می‌شوند تا مشخصه پرتوانی سلول‌های بنیادی را به دست آورند؛ یعنی تبدیل به سلول‌های بنیادی پرتوان تحریک‌شده (iPSCs) شوند. دانشمند ژاپنی، شینیا یاماناکا (Shinya Yamanaka) به دلیل توسعه این تکنیک، در سال 2012 برنده جایزه نوبل پزشکی شد.

مرحله بعدی، تبدیل سلو‌ل‌های تفکیک‌شده به سلول‌های کبدی است. این کروی‌ها سپس با جوهر زیستی (مایعی شبیه به هیدروژل) ترکیب شده و چاپ می‌شوند. این خروجی طی یک دوره 18 روزه به بلوغ می‌رسد. گوالارت بیان می‌کند که:

“فرآیند چاپ مستلزم قرارگیری کروی‌ها در طول سه محور است. این رویه برای حجم‌دهی مواد و همچنین تقویت مناسب بافت‌ها، لازم است. جوهر زیستی، ساختاری شبکه‌ای دارد و همین موضوع باعث شده تا محکم‌تر بوده و در نتیجه بتوان آن را دست‌کاری و یا حتی بخیه زد.”

اکثر روش‌های موجود برای چاپ بافت‌های کبد، سلول‌ها را در داخل یک هیدروژل غوطه‌ور می‌سازند. در این روش‌ها، ریزمحیط‌ها تکثیر شده و بدین‌ شیوه از عملکرد بافت اطمینان حاصل می‌شود. به‌هرحال، نتایج آزمایش‌ها نشان داده که ضعف ارتباطات سلولی و نیز مشکلات عملکردی، زمانی به وقوع می‌پیوندند که تکثیر و انتشار به‌صورت سلول به سلول انجام شود. گوالارت اظهار کرد:

“این یک رویه آسیب‌زا برای سلول‌ها است. در این روش، سلو‌ل‌ها جهت عادت به محیط و نشان دادن عملکرد خود، به زمان نیاز دارند. در این مرحله، این سلول‌ها به دلیل پراکندگی هنوز بافت به حساب نمی‌آیند، اما همان‌گونه که مطالعه ما نشان داد، به‌عنوان‌مثال: آن‌ها این پتانسیل را دارند که خون را از سموم پاک کرده و به تولید و ترشح آلبومین (پروتئینی که فقط توسط کبد تولید می‌شود) بپردازند.”

در این پژوهش، دانشمندان با استفاده از گلبول‌های خونی 3 داوطلب به عنوان مواد اولیه، چند کبد کوچک را توسعه دادند و سپس معیارهای عملکردی مانند: حفظ اتصالات سلولی و تولید و ترشح پروتئین را با هم مقایسه کردند. گوالارت اظهار کرد:

“کروی‌های ما نسبت به آن‌هایی که با استفاده از روش پراکندگی تک‌سلولی تولید شده بودند، عملکرد بسیار بهتری را از خود نشان می‌دادند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، در طول بالغ شدن این کروی‌ها، نشانگرهای عملکرد کبدی کاهشی را نشان نمی‌دادند.”

به گفته گوالارت، هرچند که این مطالعه به تولید کبدهای کوچک محدود شده بود، اما نتایج آن را می‌توان در آینده جهت تولید اعضای کامل که مناسب پیوند اعضا نیز هستند، به‌کار گرفت. وی گفت:

“ما این کار را در مقیاسی کوچک انجام دادیم، اما با سرمایه‌گذاری و علاقه‌نشان دادن به این رویه، می‌توان آن را بسط داد.”