ساخت بافت شبیه مغز انسان با مواد کاملاً مصنوعی برای نخستین بار

دستاورد پیشگامانه در مهندسی بافت عصبی

این دستاورد مهم، با هدف‌گذاری سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) برای حذف آزمایش‌های حیوانی در توسعه دارو هم‌راستا است و بر تلاش‌های مهندسی بافت عصبی برای شبیه‌سازی محیط پیچیده مغز تمرکز دارد. به‌ویژه، بازسازی ماتریکس خارج‌سلولی که از رشد، تکامل و ارتباط صحیح سلول‌های عصبی پشتیبانی می‌کند، همواره یک چالش بوده است.

مدل‌های سه‌بعدی مهندسی‌شده بافت، پتانسیل بالایی برای شبیه‌سازی ساختار و عملکرد پیچیده مغز دارند، اما بازتولید جزئیات ظریف مغز در محیط آزمایشگاه دشوار باقی مانده بود. روش‌های پیشین اغلب قادر به بازسازی جزئیات ریزی که رفتار سلول‌ها را شکل می‌دهند، نبودند.

سیستم نوآورانه BIPORES: داربست کاملاً مصنوعی

تیم تحقیقاتی برای غلبه بر این محدودیت‌ها، از سیستم جدیدی به نام BIPORES (Bijel-Integrated PORous Engineered System) استفاده کرد. این سیستم یک بستر کاملاً مصنوعی برای مهندسی بافت عصبی فراهم می‌کند و نیاز به استفاده از هرگونه مواد حیوانی یا پوشش‌های بیولوژیکی را از بین می‌برد. این ماده جدید عمدتاً از پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) ساخته شده است؛ یک پلیمر شیمیایی خنثی که معمولاً سلول‌ها به راحتی از آن عبور می‌کنند و برای تثبیت آن‌ها نیاز به پروتئین‌هایی مانند لامینین یا فیبرین بود.

غلبه بر محدودیت‌های ساختاری

پیش از این، محققان تکنیکی به نام STrIPS را توسعه داده بودند که تولید ذرات و الیاف دارای ساختار اسفنجی را ممکن می‌ساخت، اما ضخامت این مواد به حدود ۲۰۰ میکرومتر محدود می‌شد. سیستم BIPORES برای حل این مشکل طراحی شد که ترکیبی از الیاف بزرگ و الگوهای متخلخل پیچیده الهام‌گرفته از «بیژل‌ها» (bijels) را دارد؛ مواد نرمی با سطح داخلی صاف و شبیه زین.

• ماده اصلی: پلی‌اتیلن گلیکول (PEG)
• تثبیت‌کننده: نانوذرات سیلیکا
• فرآیند ساخت: استفاده از تجهیزات میکروفلوئیدیک سفارشی و بیوپرینتر
• نتیجه: ساختارهای سه‌بعدی با لایه‌های متخلخل و متصل به هم

ساختار داربست با استفاده از مخلوط خاصی از PEG، اتانول و آب ساخته شد. این ترکیب از لوله‌های شیشه‌ای ریز عبور داده شد و در مواجهه با جریان آب، اجزا شروع به جدا شدن کردند. تابش سریع نور این لحظه را تثبیت کرد و ساختاری اسفنجی مملو از منافذ کوچک ایجاد شد که حرکت آزادانه اکسیژن و مواد غذایی را امکان‌پذیر می‌سازد.

عملکرد و کاربرد بافت مصنوعی

آزمایش‌ها با سلول‌های بنیادی عصبی نشان داد که ماده BIPORES نه تنها باعث چسبندگی قوی سلول‌ها و رشد مناسب می‌شود، بلکه منجر به تشکیل ارتباطات عصبی فعال نیز می‌گردد. ساختار متخلخل اجازه می‌دهد مواد غذایی و ضایعات به‌راحتی حرکت کنند و رشد عمیق سلول‌ها را پشتیبانی نمایند.

پرینس دیوید اوکورو، نویسنده ارشد مطالعه، اظهار داشت: «این داربست پایدار امکان مطالعات طولانی‌مدت را فراهم می‌کند. این مسئله اهمیت زیادی دارد، زیرا سلول‌های مغزی بالغ عملکرد واقعی بافت را بهتر منعکس می‌کنند و در تحقیقات بیماری‌ها یا آسیب‌ها کاربرد دارند.»

ایمان نوشادی، استاد مهندسی زیست دانشگاه ریورساید، بر اهمیت طراحی دقیق ساختار تأکید کرد:

«این ماده تضمین می‌کند که سلول‌ها منابع لازم برای رشد، سازمان‌دهی و برقراری ارتباط در خوشه‌های شبیه مغز را داشته باشند. با توجه به اینکه ساختار دقیق‌تر شبیه زیست‌شناسی است، می‌توان مدل‌های بافتی با کنترل دقیق‌تر رفتار سلول‌ها طراحی کرد.»

آینده پژوهش: شبکه‌ای از مینی‌ارگان‌ها

در حال حاضر، قطر داربست ساخته‌شده تنها دو میلی‌متر است، اما تیم تحقیقاتی در حال افزایش مقیاس آن می‌باشد. هدف نهایی محققان فراتر از ساخت یک بافت منفرد است؛ آن‌ها به دنبال ایجاد شبکه‌ای از مینی‌ارگان‌های آزمایشگاهی هستند که مانند بدن انسان با یکدیگر تعامل داشته باشند.

این شبکه امکان بررسی پاسخ بافت‌های مختلف به درمان‌ها و تأثیر اختلال یک ارگان بر دیگری را فراهم خواهد کرد. تیم تحقیقاتی همچنین مقاله‌ای را برای بررسی کاربرد همین روش در ساخت بافت کبد ارسال کرده‌اند. این مطالعه در نشریه معتبر Advanced Functional Materials به چاپ رسیده است.