بافت قلب پرینت سه بعدی آغشته به فناوری خورشیدی ریتم قلب را در مطالعه پیش بالینی تنظیم می کند.
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که بافت‌های مهندسی شده روزی می‌توانند برخی از کارهای دستگاه‌های تحریک الکتریکی سنتی را انجام دهند، در حالی که راه‌حل‌های شخصی‌سازی‌شده و دوست‌دار بیولوژیکی ارائه می‌دهند.
تیمی از محققان با بودجه NIH با استفاده از یک جوهر مخصوص حاوی سلول های خورشیدی ریز داربست های چاپ سه بعدی تولید کردند. آنها با تابش لیزر بر روی مواد حساس به نور خود، توانستند بر انقباضات سلول‌هایی که در داخل و اطراف دستگاه خود زندگی می‌کنند، تأثیر بگذارند و در یک آزمایش حیوانی به تنظیم موفقیت‌آمیز ضربان قلب دست یابند. نتایج آنها در شرح داده شده است پیشرفت علمی.
دکتر Cunjiang Yu، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: آینده بیوالکترونیک فقط ساخت یک دستگاه و قرار دادن آن در قفسه نیست تا بعداً در بدن انسان قرار داده شود. ما شروع به چاپ فناوری‌های شخصی‌شده با بافت‌های زنده‌ای کرده‌ایم که می‌توانند به طور هماهنگ با بدن ادغام شوند. این رویکرد می‌تواند امکانات درمانی زیادی داشته باشد.»
دستگاه‌های تحریک الکتریکی قابل کاشت، مانند ضربان‌ساز و محرک‌های نخاع، عملکرد بافت را برای درمان طیف وسیعی از آسیب‌ها و بیماری‌ها، از حملات قلبی گرفته تا دردهای مزمن، تعدیل می‌کنند. به طور سنتی، این دستگاه‌ها جریان الکتریکی را از طریق سیم‌ها یا سیم‌هایی که در بافت فرو می‌روند، منتقل می‌کنند و خطر آسیب و عفونت را به‌ویژه در کاربردهای طولانی‌مدت ایجاد می‌کنند.
اگرچه مطالعات اخیر راه‌هایی را برای شکستن سیم دستگاه‌های تحریک الکتریکی بررسی کرده‌اند، هدف نویسندگان این مقاله جدید ایجاد راه‌حلی بدون محدودیت توسط الکترونیک سنتی است که می‌تواند به هر شکلی باشد.
یکی از نویسندگان Y. Shrike Zhang، Ph.D.، دانشیار و دانشیار مهندسی زیستی در دانشکده پزشکی هاروارد و Brigham and Women’s Hospital، می گوید: «اگر به یک ناحیه زخم واقعی فکر می کنید، اغلب یک سطح صاف نیست. “با روش چاپ سه بعدی خود، کنترل کاملی بر ساختار بافت مهندسی شده داریم. بعداً می توان از آن برای هر بافت فعال الکتریکی استفاده کرد.”
بنابراین چگونه بافتی ایجاد می کنید که بر حسب تقاضا فعالیت الکتریکی تولید می کند؟
روشی که محققان در گذشته از آن استفاده کرده‌اند، اصلاح ژنتیکی سلول‌ها به‌گونه‌ای است که در پاسخ به انواع خاصی از نور، فعالیت دلخواه را انجام دهند. اگرچه روشی مبتنی بر اصلاح ژنتیکی ابزار پژوهشی مفیدی است، با موانع زیادی برای ترجمه بالینی روبرو خواهد بود. نویسندگان این مفهوم کلی را به کار می برند اما جزء ژنتیکی را حذف می کنند و در عوض داربست های بافتی را برای تبدیل نور به برق با استفاده از فناوری فتوولتائیک یا خورشیدی طراحی می کنند.
بلوک اصلی ساختمان پانل های خورشیدی که سلول های خورشیدی نامیده می شوند، ویفرهای مربعی نازکی هستند که معمولاً از سیلیکون ساخته می شوند و عرض آنها چند سانتی متر است. برای تحریک بافت قلب، محققان سلول های خورشیدی نزدیک به یک میکرومتر ضخامت و ده ها تا صد میکرومتر عرض تولید کردند. محققان این سلول های خورشیدی میکروسکوپی را با ژلاتین متاکریلویل، یک هیدروژل مشتق شده بیولوژیکی که اغلب در مهندسی بافت استفاده می شود، مخلوط کردند تا جوهر چاپ زیستی منحصر به فرد خود را تشکیل دهند.
آنها داربست های شبکه مانند را چاپ کردند و آنها را از طریق چندین آزمایش روی میز آزمایش کردند و تأیید کردند که این ماده غیرسمی است و می تواند انقباضات ریتمیک را در سلول های عضله قلب در پاسخ به نور تحریک کند.
سپس تیم به دنبال بررسی عملکرد بافت مهندسی شده در حضور قلب تپنده بود. محققان ورقه ای از داربست چاپ شده را با سلول های قلب موش بارگذاری کردند و سپس با جراحی آن را در یک موش زنده در سطح قلب کاشتند. آنها به طور خاص بافت را روی دهلیز راست قلب، نزدیک دسته ای از سلول ها قرار دادند که به عنوان ضربان ساز طبیعی قلب عمل می کنند.
نویسندگان نور را از یک LED سبز رنگ به ایمپلنت می‌تابانند تا ضربان قلب حیوان را تسریع کنند. پس از 12 دقیقه تحریک، ضربان قلب از حدود 280 ضربه در دقیقه به نرخ هدف 300 ضربه در دقیقه افزایش یافت.
اگرچه نویسندگان این آزمایش را یک پیروزی برای فناوری پلتفرم جدید خود می دانند، اما سوالات جدید زیادی نیز دارند. با توجه به مدت کوتاه آزمایش – و نتایج مشابهی که در آزمایش دیگری به دست آمد که در آن هیچ سلول قلبی به داربست اضافه نشد – نویسندگان پیشنهاد کردند که سلول های خورشیدی در داربست ابزار اصلی تنظیم ضربان قلب هستند.
دیوید رامپولا، دکترا، مدیر بخش علوم و فناوری اکتشاف در مؤسسه ملی تصویربرداری زیست پزشکی و مهندسی زیستی (NIBIB) گفت: “این کار یک اثبات مفهومی هیجان انگیز است. دیدن اینکه چگونه این فناوری با بافت طبیعی ادغام می شود و چگونه می توان از آن برای استفاده طولانی مدت استفاده کرد، کلیدی خواهد بود.” این اتحاد جدید از بیومواد نرم و الکترونیک مطمئناً می‌تواند درها را باز کند.»
علاوه بر بررسی اثربخشی بافت چاپ زیستی در دوره‌های طولانی‌تر، نویسندگان قصد دارند توانایی آن را برای درمان آسیب‌ها و بیماری‌ها، مانند اصلاح آریتمی یا جایگزینی بافت آسیب‌دیده پس از حمله قلبی، بررسی کنند.
محققان قصد دارند روش‌هایی را برای کاشت منبع نور در بدن در مسیر جاده کشف کنند. یو توضیح داد که تیم به طور بالقوه می تواند از فناوری شارژ بی سیم و فناوری فیبر نوری زیست سازگار اخیر استفاده کند که می تواند به آنها اجازه دهد ماهیت حداقل تهاجمی رویکرد خود را حفظ کنند.
این مطالعه تا حدی توسط کمک‌های مالی NIBIB (R21EB026175، R21EB030257، R01EB028143 و R56EB034702)، مؤسسه ملی قلب، ریه و خون (R21HL168656 و R01HL1602cer National Institute) و R01HL16065 پشتیبانی شد. و R01CA282451).
این نکته برجسته علمی یک کشف تحقیقاتی بزرگ را توصیف می کند. تحقیقات پایه درک ما از رفتار و زیست شناسی انسان را افزایش می دهد، که زیربنای پیشرفت راه های جدید و بهتر برای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری است. علم یک فرآیند غیرقابل پیش بینی و تدریجی است – هر مطالعه علمی بر اساس اکتشافات گذشته، اغلب به روش های غیرمنتظره استوار است. اکثر پیشرفت های بالینی بدون دانش تحقیقات بنیادی امکان پذیر نخواهد بود.
مرجع تحقیق: فهیم ارشاد و غیره. بافت‌های قلبی فعال نوری الکترونیکی چاپ‌شده زیستی پیشرفت علمی (2025). DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adt7210
