محققان با ایجاد اولین مدل بیوهیبریدی از بطن قلب انسان با سلول‌های ضربان‌دار مارپیچی ماهیچه قلب، به درک بهتری از ضربان قلب دست یافتند که می‌تواند گامی مهم در جهت ساخت قلب مصنوعی برای پیوند عضو باشد.
به نقل از ساینس‌دیلی، بیماری‌های قلبی یکی از عوامل اصلی مرگ و میر در ایالات متحده و بسیاری از نقاط جهان هستند، زیرا قلب بر خلاف سایر اندام‌های بدن قادر به ترمیم خود پس از آسیب‌دیدگی نیست؛ به همین دلیل است که مهندسی بافت و در نهایت ساخت قلب انسان به طور کامل برای پیوند عضو، اهمیت زیادی برای آینده علم پزشکی دارد.
برای ساختن قلب انسان از پایه، محققان باید ساختارهای منحصربه‌فردی که قلب را تشکیل می‌دهند، شبیه‌سازی کنند. این موارد شامل بازآفرینی ساختارهای مارپیچی است که همزمان با ضربان قلب یک حرکت پیچشی ایجاد می‌کنند. مدت‌هاست که این نظریه مطرح شده که این حرکت پیچشی برای پمپاژ خون در مقادیر بالا حیاتی است، اما اثبات آن دشوار بوده، زیرا ایجاد قلب‌هایی با ساختارهای هندسی مختلف، کاری چالش‌برانگیز است.
اکنون، مهندسان زیست از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون (SEAS)، نخستین مدل بیوهیبریدی از بطن‌های انسان را با سلول‌های ضربان‌دار مارپیچی توسعه داده‌اند.
این پیشرفت با استفاده از روش جدیدی موسوم به “Focused Rotary Jet Spinning” به اختصار “FRJS” امکان‌پذیر شد. این روش امکان ساخت الیاف مارپیچی با قطرهای مختلف از چند میکرومتر تا صدها نانومتر را فراهم می‌کند.
کیت پارکر (Kit Parker)، استاد مهندسی زیستی و فیزیک کاربردی و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: این تحقیقات، یک گام بزرگ رو به جلو برای ساخت زیستی اندام‌ها است و ما را به هدف نهایی‌مان یعنی ساختن قلب انسان برای پیوند نزدیک‌تر می‌کند.
این فعالیت‌ها ریشه در معمایی چند صد ساله دارد. در سال ۱۶۶۹، ریچارد لور (Richard Lower) پزشک انگلیسی، برای اولین بار در کتاب خود به آرایش مارپیچی عضلات قلب اشاره کرد. در طول سه قرن پس از آن، پزشکان و دانشمندان درک جامع‌تری از ساختار قلب به دست آوردند، اما مطالعه این ماهیچه‌های مارپیچی به طرز ناامیدکننده‌ای دشوار بوده است.
در سال ۱۹۶۹، ادوارد سالین (Edward Sallin)، رئیس سابق دپارتمان زیست‌شناسی ریاضی در دانشکده پزشکی دانشگاه آلاباما بیرمنگام، استدلال کرد که هم ترازی ساختارهای مارپیچی قلب برای پمپاژ مقادیر زیاد خون طی هر انقباض توسط بطن‌ها حیاتی است.
جان زیمرمن (John Zimmerman)، محقق و نویسنده اول این مقاله، می‌گوید: 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 سلول‌های قلبی استفاده کردند. در مرحله اول، سیستم FRJS مانند یک دستگاه ساخت پشمک عمل می‌کند. یک محلول پلیمری مایع در یک مخزن قرار می‌گیرد و در حین چرخش دستگاه توسط نیروی گریز از مرکز از طریق یک سوراخ کوچک به بیرون رانده می‌شود. هنگامی که محلول از مخزن خارج می‌شود، بخش حلال آن تبخیر و پلیمرها به شکل جامد در می‌آیند و الیاف را تشکیل می‌دهند.
سپس، یک جریان هوای متمرکز، جهت گیری الیاف را هنگامی که روی یک گردآورنده قرار می‌گیرند، کنترل می‌کند. پژوهشگران دریافتند که با زاویه دادن و چرخاندن گردآورنده با تقلید از ساختار مارپیچی ماهیچه‌های قلب، الیاف در یک راستا قرار می‌گیرند و به دور گردآورنده می‌پیچند.
هویبین چانگ (Huibin Chang)، یکی از محققان و نویسندگان اصلی این مقاله، می‌گوید: قلب انسان دارای چندین لایه از ماهیچه‌های مارپیچی با زوایای مختلف است. با کمک روش FRJS، ما می‌توانیم آن ساختارهای پیچیده را به روشی بسیار دقیق بازسازی کنیم و ساختارهای بطنی منفرد و حتی چهار حفره‌ای تشکیل دهیم.
برخلاف چاپ سه‌بعدی که با کوچکتر شدن اندازه برخی مشخصه‌ها کُندتر می‌شود، در روش FRJS می‌توان 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 می‌آید، این موضوع اهمیت پیدا می‌کند. برای مثال کلاژن که یک پروتئین خارج سلولی در قلب با قطر یک میکرون است را در نظر بگیرید. بیش از ۱۰۰ سال طول می‌کشد تا هر ذره از کلاژن در قلب انسان با این وضوح چاپ سه‌بعدی شود؛ اما روش FRJS می‌تواند آن را در مدت یک روز به انجام برساند.
پس از مرحله اول، بطن‌ها با سلول‌های ماهیچه قلب موش صحرایی یا سلول‌های قلبی مشتق از سلول‌های بنیادی انسان پیوند زده شدند. در عرض حدود یک هفته، چندین لایه نازک از بافت ضربان‌دار ایجاد شد. بطن‌های ضربان‌دار حرکت پیچشی یا انقباض مشابه آنچه در قلب انسان وجود دارد را شبیه‌سازی می‌کردند.
پژوهشگران این تیم نشان دادند که این فرآیند را می‌توان در مقیاس‌های بزرگتر در اندازه قلب واقعی انسان و حتی بزرگتر از آن و در اندازه قلب نهنگ به کار برد.
نتایج این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
