ماه: جولای 2014

پرینت سه‌بعدی اعضای بدن: رویای قرن 21

پرینت سه‌بعدی یکی از فناوری‌های نوین و در عین حال جذابی است که اخیراً در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گرفته است که در درجه‌ی اول بسیار جالب است. اما برخی از دانشمندان در پی ساخت پرینترهای سه‌بعدی هستند تا با استفاده از آن‌ها جان میلیون‌ها انسان را نجات دهند.

در صورتی که بتوان چنین پرینترهایی را به تولید انبوه رساند، می‌توان جان شمار بسیاری از انسان‌ها را نجات داد. اگر بشر بتواند رنگ واقعیت به چنین ایده‌ای ببخشد و آن را در گستره‌ی وسیعی به اجرا گذارد، دیگری نیازی به ایجاد صف‌های الویت به منظور دریافت اعضای بدن نیست.

برای مثال فقط در کشور ایالات متحده‌ی آمریکا 78,837 بیمار در انتظار دریافت اعضای پیوندی بدن هستند، در حالی که تنها 3,407 نفر از ماه ژانویه قادر به دریافت اعضای بدن مدنظر خود بوده‌اند. بهره‌گیری از پرینترهای سه‌بعدی وجود صف‌های انتظار برای دریافت اعضای پیوندی را با تاریخ پیوند خواهند داد. همچنین این امر منجر به از بین رفتن جُرم‌هایی مانند قاچاق انسان یا قاچاق اعضای بدن خواهد شد. اما تولید اعضای بدن انسان‌ها با چالش‌های فراوانی روبرو است و پیچیدگی بالایی دارد.

پرینت سه‌بعدی اعضای بدن انسان به چه معنا است؟

برای سال‌های متمادی است که دانشمندان درصدد ایجاد اعضای بدن انسان‌ها در محیط‌های آزمایشگاهی هستند، اما در انتهای دهه‌ی ۹۰ میلادی بود که با معرفی فناوری پرینت بیولوژیک پیشرفت‌هایی در این زمینه حاصل شد. این فناوری ماحصل تلاش‌های دانشمندان در انستیتوی Wake Forest بوده که با استفاده از آن موفق به پرینت سه‌بعدی بلوک‌های مصنوعی سلولی شدند که آن‌ها را قادر به پرینت مثانه انسان می‌کرد، اما این گروه هیچگاه مثانه‌ی انسان را به طور مصنوعی پرینت نکردند. در ابتدای سال 2000 میلادی، توماس‌بلیدر،  مهندس بیولوژی دانشگاه کلِمسون، کار خود را برای بهینه‌سازی پرینتر‌های جوهرافشان به‌منظور استفاده از جوهر بیولوژیک و ساخت اعضای سه‌بعدی آغاز کرد.

در سال 2007 میلادی یکی از اولین کمپانی‌های فعال در زمینه‌ی پرینت بیولوژیک با نام Organovo آغاز به‌کار کرد. در ابتدای کار این کمپانی شروع به تولید بافت‌های شُش انسان کرد که برای تست داروها و تحقیقات در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت. یکی از اهداف این کمپانی تولید شُش‌های مصنوعی از طریق پرینت سه‌بعدی است. این روزها تحقق این نظریه به واقعیت نزدیک‌تر شده است، اما همچنان فاصله‌ با تولید تجاری اعضای بدن انسان‌ها زیاد است.

ساز و کار پرینت سه‌بعدی اعضای بدن انسان چگونه است؟

هر چند پرینت سه‌بعدی یک قطعه یا ابزار پلاستیکی از نظر پیچیدگی بسیار ساده‌تر از پیچیدگی تولید اعضای بدن انسان است، اما در صورت کلی، پرینت سه‌بعدی دارای ساز و کار مشخصی است که برای تمام ابزار‌ها صادق است. پرینتر‌های سه‌بعدی دارای کارتریج‌ها یا مخازنی برای ذخیر‌ه‌ی جوهر از انواع مختلف و در مورد تولید اعضای بدن، جوهر‌های بیولوژیک هستند، که با استفاده از سوزن‌های موجود روی پلتفرم یا محل پرینت، براساس الگوی مشخص شده، شروع به پرینت اعضای بدن مورد نظر می‌نمایند. اما پرینت اعضای بدن دارای تفاوت‌هایی است که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

• هرچند بسیاری از اعضای بدن از نظر ساختار به‌هم شبیه هستند، اما برای اینکه پزشکان یک عضو را از طریق پرینت سه‌بعدی برای بیماری خاص تولید نمایند، باید عضو معیوب را از طریق گرفتن تصاویر سی‌تی اسکن و همچنین MRI به‌طور دقیق به‌زیر ذره‌بین ببرند. تصاویر حاصل باید با استفاده از نرم‌افزار‌های توسعه داده شده مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد تا نقشه‌ی سلولی عضو مورد نظر و تقسیم‌بندی سلول‌ها در هر لایه بطور مشخص، معلوم شده و در نقشه‌ی پرینت بطور دقیق قید شود.
• به جای استفاده از پلاستیک یا فلز به‌عنوان ماده‌ی اصلی پرینت، پرینتر سه‌بعدی اعضای بدن انسان از سلول‌های انسانی بسته به نوع عضوی که پرینت خواهد شد، مورد استفاده قرار می‌گیرد که این سلول‌ها با موادی برای نگاه‌داشتن سلول‌های در کنار یکدیگر همراه می‌شود. در کنار استفاده از سلول‌های مختص به عضو مورد نظر، می‌توان از سلول‌های بنیادی نیز استفاده کرد که قابلیت تبدیل شدن به سایر سلول‌های مورد نظر را داشته و بدن انسان نیز می‌تواند چنین سلول‌های را پذیرایی نماید. همچنین سایر موادی که بدن انسان تعامل خوبی با آن برقرار کرده و مشکلی را از نظر سلامتی برای انسان پدیدار نمی کند نیز می‌توانند در پرینت سه‌بعدی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال می‌توان به استفاده از یک فک تیتانیومی در یک زن 83 ساله و استفاده از یک استخوان ران پلاستیکی در یک مرد که با استفاده از پرینت سه‌بعدی تولید شده اشاره کرد.
• پس از پایان یافتن پروسه‌ی پرینت سه‌بعدی، نوبت به قرار گرفتن عضو پرینت شده در انکوباتور (ابزاری آزمایشگاهی است که برای کشت و رشد دادن نمونه‌های زنده مانند سلول‌ها و میکروب‌ها به‌کار می‌رود) می‌رسد که برای فعال‌سازی سلول‌ها مورد استفاده قرار گرفته و منجر به آغاز کار عضو مورد نظر می‌شود.

مرحله‌ی آخر، اصلی‌ترین و در واقع پیچیده‌ترین مرحله است که شاید بتوان آن را عامل اصلی تجاری نشدن تولید اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی دانست.

چالش‌های پیش رو چیست؟

براساس نظریات آنتونی‌بیلد، که اولین تلاش‌ها برای تولید بافت‌های مصنوعی مثانه را در Wake Forest به انجام رسانده، تولید اعضای بدن انسان متشکل از چندین مساله‌ی اصلی است که پیچیدگی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن را بالا برده است. اصلی‌ترین مساله در این میان، یافتن موادی است که بتوان با استفاده از آن اعضای بدن را پرینت کرده و خارج از محیط بدن رشد داد. همچنین نمی‌توان عضوی از بدن را با استفاده از مواد مناسب تولید کرده و براحتی در دورن بدن بگذاریم. همانطور که گفتیم، اعضای بدن پیچیدگی بالایی دارند و نمی‌توان با کنار هم قرار دادن چندین سلول در شکل یک عضو، آن را درون بدن جا گذاشته و آماده برای استفاده انگاریم.

هود لیپسون، یکی از مهندسان بیولوژیک Cornell در این مورد چنین اظهار نظر می‌کند:

می‌توان سلول‌های انسان را در شکل یکی از اعضای بدن در کنار هم قرار داد، اما کلید استارت کجا است تا با فشار دادن آن، عضو پرینت شده آغاز به کار کند؟ معجزه‌ی مورد نظر پس از پرینت کردن عضو باید به‌وقوع بپیوندد.

لیپسون همچنین به این نکته نیز اشاره می‌کند که هنوز نرم‌افزاری دقیق و قدرتمند برای دریافت کوچکترین حزئیات روی اعضای بدن انسان وجود ندارد.

علاوه بر وجود مشکلات در مورد ایجاد اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی، مشکل دیگری نیز وجود دارد که آن ایجاد رگ‌های خونی است. تمامی اعضای بدن نیازمند وجود سیاهرگ‌ها، مویرگ‌ها و سرخرگ‌ها هستند که با استفاده از آن‌ها خون به داخل عضو مورد نظر پمپاژ شده و املاح و مواد مورد نیاز خود را از این طریق دریافت می‌کند. اما پرینت چنین مجراهایی در داخل اعضا بسیار سخت است.

وجود این مشکلات به‌معنای پایان کار و عدم وجود راهی برای حل مشکل نیست، بلکه شماری از متخصصان موفق به ساخت نمونه‌هایی از رگ‌های خونی با استفاده از پلیمرهای مولکولی براساس مواد قندی شده‌اند. تلاش‌های دیگری نیز توسط محققان فرانهوفر و همچنین محققان دانشگاه هاروارد انجام شده است که در مورد آخر، دانشمندان موفق به پرینت اعضای بدن با مجراهایی به‌منظور عبور خون وهمچنین مواد  مغذی شده‌اند.

 آینده‌ی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن چگونه است؟

تا‌کنون شماری از فعالیت‌های نیمه‌موفق در زمینه‌ی تولید و ایجاد اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی انجام شده است که علت نیمه موفق بودن آن‌ها عدم بکارگیری نمونه‌های تولید شده در محیط واقعی است. همچنین برخی از این نمونه‌ها نیز حیاتی چند روزه داشته‌اند. برای مثال می‌توان به شش تولید شده توسط کمپانی Organovo اشاره کرد که تنها حیاتی ۴۰ روزه داشته، در حالی که تیمی از محققان دانشگاه Louisville موفق به تولید نمونه‌‌ای کاربردی از دریچه‌های قلب و رگ‌های کوچک شده‌اند که امیدوارند تا از آن‌ها در نمونه‌های پرینت شده‌ی قلب خود استفاده کنند. همچنین نباید گوش ساخته شده توسط مهندسان بیولوژی Cornell را از یاد برد که قادر است به‌خوبی به انجام وظیفه بپردازد.

براساس آمار ارائه شده، حدود 90 درصد از افرادی که در انتظار دریافت اعظای پیوندی هستند، به کلیه نیاز دارند. تیمی از محققان چینی موفق به ساخت کلیه‌ای با استفاده از پرینت سه‌بعدی شده‌اند که قادر است تنها چند ماه به حیات ادامه دهد. همانطور که در ویدئوی زیر مشاهده می‌کنید، Atala که یکی از متخصصین در زمینه‌ی پرینت سه‌بعدی است، نمونه‌ای از کلیه‌ی تولید شده با استفاده از پرینت‌ سه‌بعدی را به حضار نشان می‌دهد. در طول این نشست، ان جراح به تشریح نقش فناوری در آینده‌ی پزشکی پرداخته است. وی از اسکنرهایی سخن به میان آورده که می‌توانند جراحات وارده به بدن انسان را اسکن کرده و پروسه‌ی پرینت عضو معیوب را مستقیماً در داخل بدن بیمار آغاز می‌کنند.