برای اولین بار در جهان، دانشمندان دانشگاه مینه‌سوتا موفق به پرینت زیستی سه بعدی پمپ قلب انسانی در مقیاس سانتی‌متر شده‌اند. پیش از این محققان در تلاش بوده‌اند تا با استفاده از سلول‌های بنیادی و تمایز آن‌ها به سلول‌های قلبی و استفاده از تکنیک پرینت زیستی سه بعدی، آن‌ها را در یک ساختار سه بعدی به عنوان ماتریکس خارج سلولی پرینت کنند. با این حال این روش به دلیل نیاز به تراکم بالای سلول برای ایجاد عملکرد نبض، موفقیت آمیز نبوده است. در واقع، سلول‌های کاردیومایوسیت به راحتی تکثیر و مهاجرت نمی‌کنند و به همین دلیل رسیدن به تراکم بالای سلولی برای ایجاد اتصالات سلول-سلول چالش برانگیز است. پیش از این تنها ساختار سه بعدی پرینت شده‌ی زیستی دارای عملکرد قلبی، مربوط به مطالعه‌ی لی و همکارانش بوده است. با توجه به تصویر ۱ آن‌ها در این پژوهش در ابتدا با استفاده از یک ماده‌ی حمایتی مانند کلاژن، پوسته بطن را پرینت و سپس با استفاده از جوهر زیستی فیبرونوژن حاوی سلول‌های کاردیومایوسیت با دانسیته‌ی ۳۰۰ میلیون سلول در هر میلی‌متر، آن را پر کردند. اگرچه عملکرد الکتروفیزیولوژی بطن توسعه داده شده در این مطالعه قابل توجه بوده است اما استفاده از این تکنولوژی پرینت در ایجاد ساختارهای پیچیده و بسته و به ویژه کنترل زنده‌مانی این تعداد از سلول‌های قلبی دشوار است.
تصویر ۱) عملکرد الکتروفیزیولوژیکی بطن پرینت شده در مطالعه‌ی لی.
رویکرد جایگزین در این پژوهش استفاده از سلول‌های پرتوان بنیادی و سپس تمایز آن‌ها به کاردیومایوسیت به صورت درجا (in situ) و به دنبال آن گسترش سلولی است. محققان برای رسیدن به این دستاورد به دنبال توسعه‌ی جوهر خود به گونه‌ای بوده‌اند تا منجر به ۱) بهبود زنده‌مانی سلولی، ۲) تکثیر سلول‌های پرتوان بنیادی و سپس تمایز آن‌ها و ۳) پرینت ساختارهای پیچیده در حمام ژلاتین بدون نیاز به استفاده از ساختار حمایتی یا قالب شود.
به منظور حمایت از تکثیر، جوهر زیستی می‌بایست متخلخل بوده و یا تخریب پذیر باشد تا سلول‌ها بتوانند به راحتی گسترش یابند. همچنین برای حمایت از تمایز نیز جوهر باید شامل موتیف‌هایی جهت اتصال به گیرنده‌ی اینتگرین سلول بوده تا منجر به افزایش سیگنال‌دهی و تمایز شود.
در این پژوهش از جوهر ژلما حاوی سلول‌های پرتوان بنیادی (hiPSCs) با دانسیته ۱۵ میلیون سلول در هر میلی‌لیتر و پروتئین‌های ماتریکس خارج سلولی (فیبرونکتین، لامینین و کلاژن متاکریلات) استفاده شد. از LAP به عنوان آغازگر نوری و برای ایجاد اتصالات عرضی استفاده شد. مطابق فیلم زیر جوهر در حمام حمایت کننده و با استفاده از تکنیک FRESH پرینت شد. داربست پرینت شده‌ی حاوی سلول به مدت ۶ هفته در محیط تمایزی قرار گرفت.
همان‌طور که در تصویر زیر مشخص است، با مقایسه‌ی بین الگوی پرینت و داربست پرینت شده مشخص است که پرینت از دقت بالایی برخوردار است. همچنین با استفاده از تزریق جوهر اتصال دو بطن و پرفیوژن و عدم نشت نشان داده شد.
عملکرد الکتروشیمیایی قلب نیز در هفته‌های ۲ و ۶ بررسی و با توجه به فیلم زیر پس از ۶ هفته نبض داشت.
منابع:
Lee, A. R. H. A., et al. “3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart.” Science ۳۶۵٫۶۴۵۲ (۲۰۱۹): ۴۸۲-۴۸۷٫
Kupfer, Molly E., et al. “In situ expansion, differentiation, and electromechanical coupling of human cardiac muscle in a 3D bioprinted, chambered organoid.” Circulation Research ۱۲۷٫۲ (۲۰۲۰): ۲۰۷-۲۲۴٫
