گام بزرگ محققان برای ساخت قلب مصنوعی

محققان با ایجاد اولین مدل بیوهیبریدی از بطن قلب انسان با سلول های ضربان دار مارپیچی ماهیچه قلب، به درک بهتری از ضربان قلب دست یافتند که می تواند گامی مهم در جهت ساخت قلب مصنوعی برای پیوند عضو باشد.

به گزارش ایسنا به نقل از ساینس دیلی، بیماری های قلبی یکی از عوامل اصلی مرگ و میر در آمريکا و بسياري از نقاط جهان هستند، زیرا قلب بر خلاف سایر اندام های بدن قادر به ترمیم خود بعداز آسیب دیدگی نیست؛ به همین دلیل است که مهندسی بافت و در نهایت ساخت قلب انسان بطور کامل برای پیوند عضو، اهمیت زیادی برای آینده علم پزشکی دارد.

برای ساختن قلب انسان از پایه، محققان باید ساختارهای منحصربه فردی که قلب را تشکیل می‌دهند، شبيه سازي کنند. این موارد شامل بازآفرینی ساختارهای مارپیچی است که هم زمان با ضربان قلب یک حرکت پیچشی ایجاد می کنند. مدت هاست که این نظریه مطرح شده که این حرکت پیچشی برای پمپاژ خون در مقادیر بالا حیاتی است، ولی اثبات آن دشوار بوده، زیرا ایجاد قلب هایی با ساختارهای هندسی مختلف، کاری چالش برانگیز است.

اکنون، مهندسان زیست از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون (SEAS)، نخستین مدل بیوهیبریدی از بطن های انسان را با سلول های ضربان دار مارپیچی توسعه داده اند.

این پیشرفت با استفاده از روش جدیدی موسوم به "Focused Rotary Jet Spinning" به اختصار "FRJS" امکان پذیر شد. این روش امکان ساخت الیاف مارپیچی با قطرهای مختلف از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را فراهم می کند.

کیت پارکر (Kit Parker)، استاد مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی و نویسنده ارشد این مقاله می گوید: این تحقیقات، یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت زیستی اندام ها است و ما را به هدف نهایی مان یعنی ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیک تر می کند.

این فعالیت ها ریشه در معمایی چند صد ساله دارد. در سال ۱۶۶۹، ریچارد لور (Richard Lower) پزشک انگلیسی، برای نخستین بار در کتاب خود به آرایش مارپیچی عضلات قلب اشاره کرد. در طول سه قرن پس از آن، پزشکان و دانشمندان درک جامع تری از ساختار قلب به دست آوردند، ولی مطالعه این ماهیچه های مارپیچی به طرز ناامیدکننده ای دشوار بوده است.

در سال ۱۹۶۹، ادوارد سالین (Edward Sallin)، رئیس سابق دپارتمان زیست شناسی ریاضی در دانشکده پزشکی دانشگاه آلاباما بیرمنگام، استدلال کرد که هم ترازی ساختارهای مارپیچی قلب برای پمپاژ مقادیر زیاد خون طی هر انقباض توسط بطن ها حیاتی است.

جان زیمرمن (John Zimmerman)، محقق و نویسنده اول این مقاله، می گوید: هدف ما ساختن مدلی بود که با آن بتوانیم فرضیه سالین را آزمایش کنیم و اهمیت نسبی ساختار مارپیچی قلب را مطالعه کنیم.

برای بررسی نظریه سالین، محققان از سیستم FRJS برای رشد سلول های قلبی استفاده کردند. در مرحله اول، سیستم FRJS مانند یک دستگاه ساخت پشمک عمل می کند. یک محلول پلیمری مایع در یک مخزن قرار می گیرد و در حین چرخش دستگاه توسط نیروی گریز از مرکز از طریق یک سوراخ کوچک به بیرون رانده می شود. هنگامی که محلول از مخزن خارج می شود، بخش حلال آن تبخیر و پلیمرها به شکل جامد در می آیند و الیاف را تشکیل می دهند.

سپس، یک جریان هوای متمرکز، جهت گیری الیاف را زمانی که روی یک گردآورنده قرار می گیرند، کنترل می کند. پژوهشگران متوجه شدند که با زاویه دادن و چرخاندن گردآورنده با تقلید از ساختار مارپیچی ماهیچه های قلب، الیاف در یک راستا قرار می گیرند و به دور گردآورنده می پیچند.

هویبین چانگ (Huibin Chang)، یکی از محققان و نویسندگان اصلی این مقاله، می گوید: قلب (heart) انسان دارای چندین لایه از ماهیچه های مارپیچی با زوایای مختلف است. با کمک روش FRJS، ما می توانیم آن ساختارهای پیچیده را به روشی بسیار دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی منفرد و حتی چهار حفره ای تشکیل دهیم.

برخلاف چاپ سه بعدی که با کوچکتر شدن اندازه برخی مشخصه ها کُندتر می شود، در روش FRJS می توان به سرعت الیاف را در مقیاس تک میکرون یعنی حدود پنجاه برابر کوچکتر از یک تار موی انسان ایجاد کرد. وقتی صحبت از ساختن قلب از ابتدا به میان می آید، این موضوع اهمیت پیدا می کند. برای مثال کلاژن که یک پروتئین خارج سلولی در قلب با قطر یک میکرون است را در نظر بگیرید. بیش از ۱۰۰ سال طول می کشد تا هر ذره از کلاژن در قلب انسان با این وضوح چاپ سه بعدی شود؛ اما روش FRJS میتواند آنرا در مدت یک روز به انجام برساند.

پس از مرحله اول، بطن ها با سلول های ماهیچه قلب موش صحرایی یا سلول های قلبی مشتق از سلول های بنیادی انسان پیوند زده شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین لایه نازک از بافت ضربان دار ایجاد شد. بطن های ضربان دار حرکت پیچشی یا انقباض مشابه آنچه در قلب انسان وجود دارد را شبیه سازی می کردند.

پژوهشگران این تیم نشان دادند که این فرآیند را می توان در مقیاس های بزرگ تر در اندازه قلب واقعی انسان و حتی بزرگ تر از آن و در اندازه قلب نهنگ بکار برد.

نتایج این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.