به گزارش بهداشت نیوز، ، محققان ساخت قلب مصنوعی را برای پیوند پیدا کردند

واشنگتن: بر خلاف سایر اندام ها، قلب نمی تواند خود را پس از آسیب ترمیم کند. بیماری قلبی مهمترین علت مرگ و میر در ایالات متحده است و به ویژه کشنده است. به همین دلیل، مهندسی بافت برای توسعه پزشکی قلب بسیار مهم خواهد بود، و در نهایت منجر به تولید انبوه ساخت کل قلب انسان برای پیوند می شود.

یافته های این تحقیق در Science منتشر شد.

برای ساختن قلب انسان از پایه، محققان باید ساختارهای منحصربه‌فردی را که قلب را تشکیل می‌دهند، تکرار کنند. این شامل بازآفرینی هندسه های مارپیچ است که با ضربان قلب یک حرکت پیچشی ایجاد می کند. مدت‌هاست که این تئوری مطرح شده است که این حرکت پیچشی برای پمپاژ خون در حجم‌های بالا حیاتی است، اما اثبات آن دشوار بوده است، تا حدی به این دلیل که ایجاد قلب‌هایی با هندسه‌ها و ترازهای مختلف چالش‌برانگیز بوده است.

اکنون، مهندسان زیستی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون (SEAS) اولین مدل بیوهیبرید بطن‌های انسان را با سلول‌های ضربان قلب مارپیچی توسعه داده‌اند و نشان داده‌اند که هم ترازی ماهیچه‌ها، در واقع، به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد. خون بطن می تواند با هر انقباض پمپاژ کند.

این پیشرفت با استفاده از روش جدید تولید پارچه افزودنی، چرخش جت چرخشی متمرکز (FRJS) امکان پذیر شد، که امکان ساخت الیاف مارپیچ با قطرهای مختلف از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را فراهم کرد. فیبرهای FRJS که توسط گروه بیوفیزیک بیماری کیت پارکر در SEAS توسعه یافته است، همراستایی سلولی را هدایت می کند و امکان تشکیل ساختارهای مهندسی بافت کنترل شده را فراهم می کند.

پارکر، پروفسور مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی خانواده تار در SEAS و نویسنده ارشد مقاله، می‌گوید: «این کار یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت بیولوژیک اندام است و ما را به هدف نهایی‌مان یعنی ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیک‌تر می‌کند».

این اثر ریشه در معمایی چند صد ساله دارد. در سال 1669، پزشک انگلیسی ریچارد لور – مردی که جان لاک را در میان همکارانش و شاه چارلز دوم را در میان بیمارانش به حساب می آورد – برای اولین بار در اثر اصلی خود Tractatus de Corde به آرایش مارپیچ مانند عضلات قلب اشاره کرد.

در طول سه قرن آینده، پزشکان و دانشمندان درک جامع تری از ساختار قلب به دست آورده اند، اما مطالعه هدف این ماهیچه های مارپیچی به طرز ناامیدکننده ای دشوار بوده است.

در سال 1969، ادوارد سالین، رئیس سابق دپارتمان بیوماتیک در دانشکده پزشکی دانشگاه آلاباما بیرمنگام، استدلال کرد که هم ترازی مارپیچ قلب برای دستیابی به کسرهای جهشی بزرگ – درصدی از میزان خونی که بطن با هر انقباض پمپاژ می کند، بسیار مهم است.

جان زیمرمن، محقق فوق دکترا در SEAS و نویسنده اول مقاله، گفت: “هدف ما ساختن مدلی بود که بتوانیم فرضیه سالین را آزمایش کنیم و اهمیت نسبی ساختار مارپیچ قلب را مطالعه کنیم.”

برای آزمایش تئوری سالین، محققان SEAS از سیستم FRJS برای کنترل تراز فیبرهای چرخانده شده استفاده کردند که بر روی آنها می توانند سلول های قلبی را رشد دهند.

مرحله اول FRJS مانند یک دستگاه آب نبات پنبه ای عمل می کند – یک محلول پلیمری مایع در یک مخزن بارگذاری می شود و در حین چرخش دستگاه توسط نیروی گریز از مرکز از طریق یک دهانه کوچک به بیرون رانده می شود. هنگامی که محلول از مخزن خارج می شود، حلال تبخیر می شود و پلیمرها جامد می شوند و الیاف را تشکیل می دهند. سپس، یک جریان هوای متمرکز، جهت گیری فیبر را هنگامی که روی یک کلکتور قرار می گیرد، کنترل می کند. این تیم دریافتند که با زاویه دادن و چرخاندن کلکتور، الیاف موجود در جریان در حین چرخش گردآورنده، با تقلید از ساختار مارپیچ ماهیچه های قلب، در یک راستا قرار می گیرند و به دور کلکتور می پیچند.

تراز الیاف را می توان با تغییر زاویه کلکتور تنظیم کرد.

Huibin Chang، یکی از محققان فوق دکترا در SEAS و نویسنده اول مقاله می گوید: «قلب انسان در واقع دارای چندین لایه از ماهیچه های مارپیچی با زوایای مختلف است. با FRJS، ما می‌توانیم آن ساختارهای پیچیده را به روشی واقعاً دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی منفرد و حتی چهار محفظه‌ای را تشکیل دهیم.

برخلاف چاپ سه بعدی که با کوچکتر شدن ویژگی ها کندتر می شود، FRJS می تواند به سرعت الیاف را در مقیاس تک میکرون بچرخاند – یا حدود پنجاه برابر کوچکتر از یک تار موی انسان. وقتی صحبت از ساختن قلب از ابتدا به میان می آید، این مهم است. به عنوان مثال کلاژن را در نظر بگیرید، یک پروتئین ماتریکس خارج سلولی در قلب، که قطر آن نیز یک میکرون است. بیش از 100 سال طول می کشد تا هر ذره کلاژن در قلب انسان با این وضوح چاپ سه بعدی شود. FRJS می تواند آن را در یک روز انجام دهد.

پس از چرخش، بطن‌ها با سلول‌های کاردیومیوسیت موش صحرایی یا سلول‌های قلبی مشتق از سلول‌های بنیادی انسان کاشته شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین لایه نازک از بافت ضرب‌دار داربست را پوشانده و سلول‌ها از هم‌ترازی الیاف زیر آن پیروی می‌کنند.

بطن های تپنده همان حرکت پیچشی یا انقباض موجود در قلب انسان را تقلید می کردند.

محققان تغییر شکل بطن، سرعت سیگنال‌دهی الکتریکی و کسر جهشی را بین بطن‌های ساخته‌شده از الیاف هم‌تراز مارپیچی و بطن‌هایی که از الیاف هم‌تراز محیطی ساخته شده‌اند، مقایسه کردند. آنها دریافتند که در هر جبهه، بافتی که به صورت مارپیچ تراز شده است، بهتر از بافت تراز محیطی است.

پارکر گفت: از سال 2003، گروه ما برای درک روابط ساختار-عملکرد قلب و اینکه چگونه بیماری از نظر آسیب شناختی این روابط را به خطر می اندازد، کار کرده است. “در این مورد، ما به یک مشاهده هرگز آزمایش نشده در مورد ساختار مارپیچ معماری آرام قلب بازگشتیم. خوشبختانه، پروفسور سالین بیش از نیم قرن پیش یک پیش بینی نظری منتشر کرد و ما توانستیم یک پلت فرم تولیدی جدید بسازیم. که ما را قادر ساخت تا فرضیه او را آزمایش کنیم و به این سؤال چند صد ساله بپردازیم.»

این تیم همچنین نشان داد که این فرآیند را می‌توان به اندازه قلب واقعی انسان و حتی بزرگ‌تر به اندازه قلب نهنگ مینک (آنها مدل‌های بزرگ‌تر را با سلول‌ها ابداع نکردند زیرا میلیاردها سلول کاردیومیوسیت نیاز دارد. ).

علاوه بر ساخت زیستی، این تیم همچنین کاربردهای دیگری را برای پلت فرم FRJS خود، مانند بسته بندی مواد غذایی، بررسی می کند.