رشد رگ های خونی مصنوعی با آهن ربا در مهندسی بافت

یک آهن‌ربای بسیار کوچک، ژل کلاژن و تراشه‌ای به اندازه یک تمبر پستی در حال انجام کاری غیرمنتظره‌اند: آن‌ها رگ‌های خونی زنده را با دقتی سامان می‌دهند که مهندسان بافت دهه‌ها در پی آن بوده‌اند. مویرگ‌های ظریفی که اکسیژن و مواد مغذی را در بافت جابه‌جا می‌کنند، آن‌قدر باریک‌اند که گلبول‌های قرمز اغلب به صورت تک‌ردیفی از آن‌ها عبور می‌کنند و بازسازی آن‌ها در آزمایشگاه بسیار دشوار است. این روش تازه با استفاده از کشش مغناطیسی کنترل‌شده، سلول‌های اندوتلیال را به تشکیل شبکه‌های عروقی منظم هدایت می‌کند.

ماجرا تقریبا شبیه یک صحنه سینمایی به نظر می‌رسد. این دستگاه سلول‌های اندوتلیال معلق در کلاژن، یعنی داربست طبیعی بدن، را در خود جای می‌دهد. یک ریزآهن‌ربا درون ژل قرار دارد. آهن‌رباهای خارجی، این آهن‌ربای کوچک را در سه بعد می‌کشند و جابه‌جا می‌کنند و به این ترتیب ماتریکس اطراف و سلول‌های درون آن را دچار کشش می‌سازند. با تغییر نوع کشش، الگوی عروقی هم تغییر می‌کند: رگ‌های بیشتر، رگ‌های کمتر، رشته‌های بلندتر یا شاخه‌های کوتاه‌تر. گروه پژوهشی ام‌آی‌تی نشان داد که با تغییر شدت و ریتم کشش مغناطیسی می‌توان این ویژگی‌ها را تنظیم کرد؛ آن‌ها حتی کشش‌های متناوب با بسامدهایی مانند ۱ و ۱۵ هرتز را آزمودند تا بررسی کنند پویایی نیرو چگونه بر رشد اثر می‌گذارد.

رگ‌های خونی مصنوعی از طریق کشش مکانیکی ساخته شدند.

اهمیت این موضوع چیست؟ چون بقا یا نابودی اندام‌ها و بافت‌های مهندسی‌شده به خون‌رسانی آن‌ها وابسته است. بدون یک سامانه لوله‌کشی داخلی شامل سرخرگ‌ها، سیاهرگ‌ها و مویرگ‌ها که با تراکم و جهت‌گیری درست آرایش یافته باشد، سلول‌های یک بافت رشد‌یافته در آزمایشگاه دچار گرسنگی می‌شوند. سیگنال‌های شیمیایی و چاپ سه‌بعدی ابزارهای مفیدی بوده‌اند، اما اغلب نمی‌توانند هماهنگی ظریف رگ‌زایی طبیعی را در مقیاس بسیار کوچک بازآفرینی کنند. اکنون روشن شده است که محرک‌های مکانیکی، اهرمی نیرومند و قابل برنامه‌ریزی هستند.

در این میان یک نکته زیستی مهم هم وجود دارد. پژوهشگران سلول‌هایی را آزمایش کردند که فاقد پیزو۱ بودند؛ ژنی که یک کانال یونی حساس به نیرو را کدگذاری می‌کند. می‌توان آن را مانند دریچه‌ای تصور کرد که وقتی غشای سلول فشار را حس می‌کند، باز می‌شود. وقتی پیزو۱ غیرفعال شد، کشش مغناطیسی مویرگ‌های تازه کمتری ایجاد کرد و نشان داد که پاسخ رشد به توانایی سلول‌ها در حس کردن نیرو وابسته است. به بیان ساده: فیزیک صحنه را آماده می‌کند و سلول‌ها پیام را می‌خوانند و واکنش نشان می‌دهند.

این رویکرد مغناطیسی، اقتباسی از روش‌هایی است که همین گروه پیش‌تر برای الگو‌دهی به عضلات و اعصاب مصنوعی به کار برده بود. اما هدایت رگ‌ها مسئله‌ای دشوارتر است. مویرگ‌ها چندین مرتبه از موی انسان نازک‌ترند؛ ساختارهایی در ابعاد کسری از میلی‌متر که باید در سراسر یک داربست بافتی به هم متصل شوند و اجازه دهند خون بدون لخته شدن یا نشت جریان پیدا کند. تیم تحت هدایت ام‌آی‌تی یافته‌های خود را در نشریه پی‌ان‌ای‌اس منتشر کرده و داده‌های آن‌ها نشان می‌دهد این هماهنگی مغناطیسی، در مقایسه با نمونه‌های کنترل ایستا، هم تعداد و هم طول رگ‌های نوپا را افزایش می‌دهد.

پژوهشگران تعداد و طول رگ‌های خونی مصنوعی رشد‌یافته تحت تأثیر آهن‌رباهای متناوب (در ۱ و ۱۵ هرتز) را با سلول‌های درمان‌نشده و نمونه‌های کنترل ایستا مقایسه کردند.

با این حال، چالش‌های عملی همچنان باقی است. در حال حاضر، آزمایش‌ها تعداد رگ‌ها و هندسه آن‌ها را دنبال می‌کنند. گام بعدی عملکردی است: آیا می‌توان این کانال‌ها را با خون یا جایگزین‌های خون پرفیوژن کرد؟ آیا می‌توانند با عضله مهندسی‌شده یا بافت‌های دیگر یکپارچه شوند و واقعا عملکرد را بهتر کنند؟ کارهای اولیه از همین حالا آغاز شده است تا عضله رشد‌یافته در آزمایشگاه پیرامون این رگ‌های الگوگرفته با میدان مغناطیسی قرار گیرد و مشخص شود آیا سلول‌های عضلانی، وقتی با ریزشبکه عروقی تنظیم‌شده تغذیه می‌شوند، بهتر زنده می‌مانند و منقبض می‌شوند یا نه.

پیامدهای این فناوری بزرگ، اما واقع‌بینانه‌اند. این روش قرار نیست یک‌شبه راه میان‌بری برای ساخت اندام کامل فراهم کند. با این وجود، ابزاری تازه در مجموعه ابزارهای عروقی است؛ ابزاری که الگو‌دهی فیزیکی را به روش‌های شیمیایی و چاپی موجود اضافه می‌کند. تصور کنید رشد بافت را مانند رهبری ارکستر هدایت کنیم: بخشی پرطنین‌تر شود، بخشی آرام‌تر، و در نهایت مجموعه‌ای شکل بگیرد که ارزشی فراتر از جمع اجزای خود دارد.

نیروهای مکانیکی صرفا پدیده‌هایی جانبی نیستند؛ آن‌ها زبانی قابل برنامه‌ریزی برای ساخت بافت‌هایی با رگ‌های خونی سازمان‌یافته‌اند.

اگر رشد هدایت‌شده با آهن‌ربا همچنان قابل اعتماد و ایمن نشان داده شود، دهه آینده می‌تواند شاهد ایمپلنت‌ها و پیوندهایی باشد که سامانه خون‌رسانی داخلی آن‌ها بر اساس نیاز طراحی شده است. چنین پیشرفتی شیوه ترمیم اندام‌ها، درمان آسیب‌ها و شاید برنامه‌ریزی جراحان برای بازسازی بافت را تغییر خواهد داد؛ جایی که فیزیک و زیست‌شناسی دست به دست هم می‌دهند تا زندگی را دوباره در جای خود پیوند بزنند.