گامهای بلندایران در عرصه چاپ سه بعدی اندامهای بدن
تعداد بازدید : 0
پرینت بگیرید ، پیوند بزنید!
نویسنده : زهرا حاجیان
این که روزی تغییر اعضای بدن هم مانند تغییر لباس،امکان پذیر شود ، به هیچ عنوان دور از انتظار نیست . زمانی که برای اولین بار در سال 2003 گردهمایی علمی با موضوع فناوری bio printing در آمریکا برگزار شد مباحث و ایدههای طرح شده در خصوص امکان چاپ سلول و تولید اندامهای بدن توسط چاپگرهای سه بعدی بسیاری از حاضران در این گردهمایی را به خنده واداشت تا جایی که بسیاری ، چاپ سلول را با استفاده از یک چاپگرتجاری غیر ممکن عنوان کردند اما به تدریج این ایده به تحقق نزدیک و نزدیک تر شد و انتشار تصویری که یک رگ چاپ شده را نشان میداد، جامعه علمی جهان را شگفت زده کرد پس از آن به تدریج تحقیقات درباره فناوری چاپگرهای سه بعدی زیستی و چاپ اندامهای بدن در کشورهای معدودی کلید خورد که ایران هم در زمره این کشور هاست .
امروز در حالی که دنیا حدود یک دهه است که به عرصه فناوری استفاده از چاپگرهای سه بعدی به منظور چاپ اندامهای بدن قدم گذاشته است، محققان ایرانی نیز پا به پای محققان دنیا حرکت در مرزهای دانش چاپگرهای زیستی را آغاز کردهاند . در واقع ایران نیز همپای کشورهای معدودی از جمله آمریکا ، فرانسه ، ژاپن ، آلمان وسوئیس که جزو کشورهای پیشرو در این عرصه محسوب میشوند ، از سال 86 تحقیقات خود را در این زمینه شروع کرده و در مدت زمان اندكی موفقیتهای چشمگیری نیز درعرصه انجام این فعالیتهای تحقیقاتی گزارش شده است . طراحی و ساخت چاپگرهای دو بعدی وسه بعدی ،همچنین تهیه کاغذ زیستی (بسترهای هیدروژلی مناسب) و جوهر زیستی (سوسپانسیون تودههای سلولی) با قابلیت چاپ ساختارهای سلولی سه بعدی و در نهایت نیز موفقیت در تولید پوست ورگ دستاوردهای قابل توجهی است که پژوهشگران ومحققان کشور مان همگام با پیشرفته ترین مراکز تحقیقاتی دنیا موفق به انجام آنها شدهاند .
چاپخانههای زیستی اندام در راهند
چاپ سه بعدی اندام بدن یکی از شاخههای مهندسی بافت است وهدف آن نیز یافتن جایگزین هایی برای بافتهای از دست رفته بدن در محیط آزمایشگاه است. طبق پیش بینی محققان زیستی ، این فناوری ارزشمند به یکی از فناوریهای پایه تبدیل خواهد شد وهم اینک کشور هایی از جمله آمریکا ، فرانسه ، ژاپن ، آلمان و سوئیس در این زمینه سرمایه گذاریهای هنگفتی انجام میدهند تا در آیندهای نه چندان دور با راهاندازی چاپخانههای زیستی اندام و امکان چاپ اندامهای مختلف بدن، رویای محققان را به واقعیت تبدیل کنند.
دکتررعنا ایمانی دانش آموخته دانشگاهامیر کبیر در رشته مهندسی پزشکی(بیومتریال)و مجری اصلی پروژه چاپ زیستی؛ در تشریح جزئیات این فناوری جدید و مکانیسم تولیدبافتهای سه بعدی به خراسان میگوید : یکی از چالش هایی کهامروز دنیای پزشکی با آن مواجه است، کمبود اندامها وارگانها برای بیمارانی است که در اثر تروما و یا بیماریهای لاعلاج و صعب العلاج ، عضوی از بدن ویا بخشی از بافتهای بدنشان را ازدست میدهندو برای جایگزین کردن آن ها، مدتها در فهرست انتظار قرار میگیرند تابافت جایگزینی برای آنها تهیه و امکان پیوندعضو فراهم شود. این فرآیند بسیار زمان بر و پرهزینه است حال آن که همیشه شانس با بیمار یار نیست و بسیاری از بیماران به دلیل پیدا نشدن عضو مناسب، جان خود را از دست میدهند. در چنین وضعیتی است که مهندسی بافت پیشنهاد میکند ما بافتی را در فضای آزمایشگاه با استفاده از ترکیب سلولها و یکسری متریال تهیه کنیم و به بیمارپیوند بزنیم .در حال حاضر روشهای مختلفی برای تولید بافت در آزمایشگاه وجود دارد. درشکل سنتی این روش یکسری ساختارهای سه بعدی که به آنها داربست میگوییم،ایجادمی شود وسلولها داخل این داربستها قرار میگیرندو سپس شروع به رشد وتکثیر میکنند وبعد این داربست به تدریج و خود به خود تخریب میشود وچیزی که باقی میماند، سلولهای تکثیر شده وبافت ایجاد شده است و این بافت دوباره به بدن بیمار باز میگردد .
ابن روش معایبی نیز داردچرا که به نوبه خود فرآیندی زمان براست و در عین حال در این روش امکان تولید بافت هایی مانندکبد ،قلب یا کلیه که ساختارهای پیچیده تری دارندوانواع سلولهای مختلف را درخودجای دادهاند،وجود ندارد براین اساس به تدریج تکنیکهای رایانهای به کمک آمدندومحققان از یکسری طراحی رایانهای و ابزارهایی که بتوانندشکلهای سه بعدی را بسازند،استفاده کردند . البته این ابزارها در صنایع دیگر هم استفاده میشود به طور مثال درخودروسازی هم قطعات خیلی پیچیده را با این فناوری هامی سازیم. این فناوری درواقع "Rapid prototyping " یا نمونه سازی سریع است که ازیکسری چاپگر سه بعدی ( 3rd printing ) برای ساخت شکلهای پیچیده استفاده میکند،درواقع ابزار اصلی چاپ زیستی یا Bioprinting همین چاپگرها هستند، این چاپگرها وقتی در صنعت استفاده میشوند با مواد بی جان سرو کار دارند ولی زمانی که در علم پزشکی به کار گرفته میشوند، برای سلول و مواد جاندار به کار میروند که طبیعتا ملاحظات خاص خودش راهم دارد . این فناوری قدمت چندانی ندارد و تقریبا از سال 2002 یا 2003 در دنیا مطرح شد اما نکته جالب آن است که نسبت به نو بودن آن ، پیشرفت بالایی را در این فناوری شاهد بودهایم .
مواد لازم برای چاپ اعضای بدن
به گفته مجری پروژه چاپ زیستی ،برای چاپ یک بافت یا عضوی از بدن ، ابزار هایی از جمله یک چاپگر زیستی یا بایو چاپگر، مقداری جوهر زیستی که همان سلولهای ما هستند و کاغذ که میتواند "زیست مواد" یا" پلیمر" ،" هیدروژل" ویا "سرامیک" باشد ،نیاز داریم .در واقع از مواد سرامیکی زمانی استفاده میشود که بخواهیم بافتهای سخت مانند استخوان راچاپ کنیم، اما در چاپ زیستی به طورعمده از هیدروژل استفاده میشود چرا که هیدروژلها موادی منعطف هستند و دقیقا فضایی را که سلول داخل بدن تجربه میکند ، به سلول میدهند و ماهیت محیط ژل مانندی را که سلولها در داخل بدن دارند ، ایجاد میکنند.
در حال حاضر روش جدید تر و موثرتری که به کار میرود، این است که سلولها به شکل یک سوسپانسیون اولیه مانند روشهای مرسوم کشت سلول در آزمایشگاه کشت داده وسپس به داخل دیوایس یا چاپگرمنتقل میشود . برای این کار جوهر زیستی یا Bio Ink را به شکل گلولههای سلولی تهیه میکنند که در نتیجه این فرآیندمیکرو توپ هایی مملو از سلول که در هر یک میلیون سلول قرار دارد، ساخته میشود. دراین روش به جای این که یک تک سلول را چاپ کنیم یک گلوله پرسلول را چاپ میکنیم و این کمک میکند که دانسیته سلولی ما در مجموع ساختاری که در اختیار داریم ،افزایش پیدا کند . روش کار این چاپگرها به این شکل است که موادسازنده یا سلولها داخل کارتریج قرار میگیرد در واقع برای هر متریالی یک کارتریج در نظر میگیریم .
سپس با تصویری که از طریق اسکن یا MRI از بافت اصلی میگیریم، تصویر بافت از بین رفته را مشخص میکنیم وشکل مهندسی بافت به دست میآید. سپس از طریق نرم افزار هایی، این شکل به داده هایی تبدیل میشود که چاپگر بتواند آنها را شناسایی کند. در این مرحله چاپگر به روش چیدمان لایه به لایه مواد یا همان سلول را به صورت لایه به لایه چاپ میکند و روی هم میچیندتا بافت یا عضو مورد نظر ساخته شود و در نهایت میتوان این بافت را به بدن پیوند زد .
وی در توضیح این که آیا اساسا ارگان جایگزین از لحاظ عملکرد میتواند مانند بافت اصلی فعالیت کند، تصریح میکند: این امکان کاملا وجود دارد که ارگانی را تولید کنیم که از لحاظ عملکرد مانند بافت اصلی عمل کند اما لازمه اش این است که در کنار بافت مورد نظر، سلولهای رگ ساز اطراف آن بافت را نیز تولید کنیم تا جریان خون رسانی به طور طبیعی انجام شودواین بافت زنده بماند و فعالیت طبیعی خود را داشته باشد.
اولین گامها
طرح تحقیقاتی چاپ سه بعدی اندامهای بدن ازسال 86 درقالب یک پایان نامه کارشناسی ارشد به عنوان یک کار تحقیقاتی مشترک بین پژوهشکده غدد ومتابولیسم دانشکده علوم پزشکی تهران و بیمارستان شریعتی و مرکز تحقیقات سالمندان و نیز دانشکده مهندسی دانشگاه صنعتی امیر کبیر توسط دکتر رعناایمانی ،دکتر حسین فخر زاده و دکتر ابوالفتحی آغاز شده است و اگرچه زمان زیادی از شروع این تحقیقات در کشور نمیگذرد، اما تاکنون پیشرفتهای خوبی دراین زمینه حاصل شده است.
دکتر ایمانی درباره پروسه آغاز طرح چاپ زیستی سه بعدی میگوید: در آغاز این تحقیقات، کارمان را بایک بایوچاپگر دو بعدی که عملکرد خوبی داشت و توسط یکی از محققان دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات طراحی وساخته شده بود، کلید زدیم اما در مراحل بعد به چاپگری نیاز داشتیم که سه بعدی کار کند چون بیشتر بافتها حتی پوست هم که نازک ترین بافت است، باز هم دارای بعد سوم است . براین اساس دکتر ابوالفتحی عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی پزشکی گروه بیو مکانیک ومهندسی بافت ، مسئولیت کار روی بایو چاپگررا بر عهده گرفت و موفق به طراحی وساخت یک چاپگر سه بعدی شد که قابلیت چاپ در3 بعد را دارد و یک نمونه اولیه است. با ساخت این چاپگر ، بیشتر تمرکز را روی تولید پوست گذاشتهایم چون نیاز وسیعی در این زمینه وجود دارد ودر عین حال بافت ساده تری است و رسیدن به آن زمان کمتری میبرد .
تولید پوست و رگ با چاپگر زیستی نتیجه 6 سال تلاش
پس از 6سال تلاش مداوم والبته با دست خالی و تزریق بودجههای قطره چکانی، محققان کشورمان نتیجه تلاش 6 ساله خود را درزمینه چاپ زیستی با تولید موفقیت آمیز پوست و رگ به نمایش گذاشتند و به موازات کشورهایی نظیر آمریکا موفق شدنددر زمینه تولید اندامهای بدن دستاوردهای شایان توجهی ارائه کنند.
به گفته دکتر ایمانی، در قالب این پروژه پایان نامه متعددی نیز با موضوعات مختلف از جمله 6 پایان نامه در زمینه ابزارها (چاپگر )،3 پایان نامه در زمینه ساخت ژل یا ساخت هیدروژل و چندین پایان نامه نیز با موضوع تولید سلول کار شده است.
وی افزود: در نهایت نیز موفق شدیم بافت پوست را با استفاده از چاپگر زیستی تولید کنیم . همچنین پروژه دیگری که در گروه ما انجام شد ،تولید رگ بود که این پروژه هم در قالب یک پایان نامه کار شناسی ارشد دنبال شد وبه انجام رسید که محققان مان موفق شدند طی این پروژه یک ساختار استوانهای از جنس سلولهای رگ تولید کنند که این طرح نیز طرح موفقی بوده است . این محقق همچنین تولید غضروف را در آینده نزدیک به مدد بهره گیری از فناوری چاپ سه بعدی نوید میدهد ، پروژهای که به گفته وی ، شروع آن در گروی تامین اعتبار مناسب است .
ایمانی همچنین هدف نهایی پروژه چاپ زیستی را در صورت تامین اعتبار ، تولید بافتهای دارای حجم مانند ریه،قلب و... با کمک چاپگرهای سه بعدی عنوان میکند.
به گفته مجری طرح ، در این فناوری شاخههای مختلف علوم در گیر هستند بنابراین لازم است گروهی متشکل از متخصصان گرایشهای مختلف مهندسی بافت ، پزشکی شامل مهندسی بایو متریال ، بیو مکانیک ، بیو الکتریک ، مهندسی پلیمر ، مهندسی مواد ، مهندسی کامپیوتر( برای طراحی نرم افزارو آنالیز تصاویر پزشکی ) و متخصصان طب پیوندی در کنار هم قرار گیرند.
مسیری پر پیچ وخم تا کاربردی شدن دستاوردها
فناوری چاپ زیستی در حال حاضر دردنیا و همچنین در کشور ما در ابتدای راه است.هرچندهم اینک از برخی مراکز تحقیقاتی دنیا اخباری مبنی بر چاپ اندامهای بدن و پیوند آنها به بیماران به گوش میرسد، اما چنان که دکتر فخر زاده عنوان میکنداین اخبارجز درمواردی بسیار اندک مانند پوست و یا بخشی از کبد ،تولید استخوان و نیز تولید بخشی از بافت کلیه ،در دیگر موارد اغلب دور از واقعیت است.
در ایران نیز تلاش و دستاورد شایان توجه محققان کشورمان در عرصه چاپ سه بعدی وتولید اندام هایی مانند رگ و پوست ، باید مسیر پر پیچ و خمی را برای رسیدن به مرحله کاربرد طی کند .
دکترفخر زاده رئیس مرکز تحقیقات سلامت سالمندان که زیرمجموعه مرکز تحقیقات غدد است، با بیان این که در دنیا اغلب محصولاتی که با استفاده از این فناوری تولید شده، به مرحله کاربرد نرسیده است اضافه میکند : تا پیش ازسال 1453 یعنی قبل از این که فناوری چاپ توسط گوتنبرگ عرضه شود ، تصور این که بتوان در عرض چند دقیقه میلیونها جلد کتاب را چاپ کرد ،یک رویا بود اما دیدیم که محقق شد و انقلابی ایجاد کرد.
حال فناوری چاپ سه بعدی نیز با همین رویکرد مواجه است و هدفش این است که بتوان تمامی اجسام مانند میز ، صندلی ، خودرو، هواپیماو... را با سرعت و دقت بالاتولید کرد . این فناوری برای اولین بار توسط محققان دانشگاهMIT در 18 سال پیش عرضه شد و نمونههای سادهای نیز ازمواد بی جان مانند لیوان وفنجان و...ساخته شد اما در حال حاضرتا آن جا پیش رفته که به تولید هواپیماهایی با قابلیت پرواز منجر شده است. این فناوری رفته رفته به عرصه پزشکی وحیات انسان نیز راه پیدا کرد چراکه همواره یکی از رویاهای بشر این بوده است کهامکانی وجود داشته باشد تا در صورت نقص عضو ویا از دست دادن یکی از اعضای بدن خوددر اثر تروما ویا ابتلا به بیماریهای صعب العلاج ،بتواند عضو از دست رفته را دوباره جایگزین کندوشاید در مواردی نیازی هم به تولید 100درصدی عضو نباشد بلکه به عنوان مثال در مورد کلیه و یا کبدصرفا بتوان با تولیدنصف ویا یک سوم کلیه یا کبد از طریق چاپ زیستی ؛عملکرد این اندامها را بهبود بخشید و نیاز متابولیک بدن را بر طرف کرد .
در واقع با وجود دستاورد هایی که در این زمینه عرضه شده ، این موضوع هنوز جزو آرزوهای پزشکان است که این فناوری به جایی برسد که به راحتی بتوان با قراردادن یک دستگاه چاپگردرجایی مانند اتاق عمل ، برای بیماری که دست ، پا ، کلیه ، کبد و... خود را از دست داده است، در کمتر از چند ثانیه عضو مورد نیاز را چاپ کرد و به وی پیوند زد. هرچند این فناوری مرحله به مرحله پیشرفت میکند اما هنوز به مرحلهای نرسیده است که تمامی دستاوردهای مبتنی برآن تجاری سازی شده باشد.
به گفته دکتر ایمانی ،در ایران دستاورد هایی مانندتولید پوست و رگ هنوز به مرحله تولید انبوه نرسیده است و با توجه به مشکلاتی که در بحث استاندارد کردن محصولات پزشکی با آن مواجه هستیم ؛ فرآیند طولانی را برای اخذ مجوز و رساندن نتایج کار به مرحله کاربرد آغاز کردهایم و در عین حال نیازمند بودجه بیشتری هستیم که بتوانیم در قالب یک شرکت دانش بنیان ، محصول پوست زنده را برای متقاضیان تولید کنیم و برای عملیاتی شدن این کار ،تقریبا 3 تا 4 سال زمان نیاز داریم .
فعالیتهای جسته وگریخته در عرصه چاپ زیستی در کشور
وقتی از دکتر ایمانی در باره پروژههای مشابه در زمینه پروژه چاپ زیستی در کشور سوال میکنیم ، وی به فعالیتهای تحقیقاتی جسته و گریخته در دانشگاههای مختلف از جمله دانشگاه صنعتی شریف اشاره میکند که به طورعمده با هدف انجام تحقیقات روی ابزارهای چاپ سه بعدی برای ساخت داربست در حال انجام است .
وی میگوید : مذاکراتی انجام شده است تا محققان دانشگاه شریف ساختارهای داربستی را تولید میکنند و در اختیار ما قرار دهند تا ما روی آنها سلول ببریم .علاوه براین دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی نیز درخواست خود را مبنی بر تشکیل یک گروه مشترک تحقیقاتی برای انجام فعالیتهای علمی در این زمینه مطرح کرده است که درحال حاضر زمان و نحوه همکاری ما هنوز مشخص نیست.از سوی دیگر به نظر میرسدپژوهشگاه رویان نیز درصدد ورود به این بحث است. به علاوه قرار است در آینده نزدیک پروژهای را در زمینه چاپ زیستی با یک گروه تحقیقاتی در مالزی که در زمینه چاپ زیستی فعالیت میکنند ، پیش ببریم و در قالب این همکاری علمی روی پروژههای مشترکی کار کنیم.
حجم سرمایه گذاری ایران در عرصه چاپ زیستی
محققان ما دیگر عادت کردهاند که کارهای بزرگ را با بودجههای اندک پیش ببرند، این بار هم محققان زیستی کشور ؛ پروژه استفاده از چاپگرهای سه بعدی برای چاپ اندامهای بدن را در حالی به موازات پروژههای مشابه و چندمیلیارد دلاری پیشرفته ترین مراکز تحقیقاتی دنیا پیش میبرند که بودجه تخصیص داده شده به این پروژه طی 6 سال اخیر تنها حدود 50 میلیون تومان بوده است .دکتر ایمانی میگوید : این پروژه حدود 6 سال پیش با اختصاص بودجهای حدود 5 میلیون تومان آغاز شدو به تدریج طی سالهای گذشته با کمک هایی که از سوی دانشکده غدد و متابولیسم دانشگاه علوم پزشکی تهران دریافت کردیم، این اعتبار به 10 تا 15 میلیون تومان افزایش پیدا کرد که اگرکل اعتبارات تخصیص داده شده به این پروژه را در نظر بگیریم، طی 6سال اخیر تنها حدود 50 میلیون تومان اعتبار دریافت کردهایم که البته همین اعتبار اندک هم باچنگ ودندان به دست آمده است .
این در حالی است که در دنیا سالانه میلیاردها دلار در این زمینه سرمایه گذاری میشود تا درنهایت یک محصول تولیدشود .
ایجاد آزمایشگاه چاپ زیستی نیازمند 5 میلیون تومان اعتبار
ضرورت تاسیس یک آزمایشگاه تخصصی در زمینه چاپ زیستی ،موضوعی است که دکتر فخرزاده بدان اشاره میکند ومی گوید: در حال حاضر طراحیهای اولیه ومکان سنجی آن انجام و طرح اولیه نیز به معاونت تحقیقات وفناوری وزارت بهداشت ارائه شده است و مسئولان قول هایی دادهاند که در صورت حمایت شرکتهای دانش بنیان برای ساخت این آزمایشگاه ، وزارت بهداشت نیز حمایت مالی به عمل آورد .
به گفته دکتر فخر زاده ، برای ساخت این آزمایشگاه حداقل 5 میلیارد تومان اعتبار نیاز است تا بتوان آزمایشگاهی در حدود300 تا 400 متر مربع و مجهز به چاپگرهای زیستی و با امکان تولید هیدروژل و... تاسیس کرد .
او همچنین پیشرفت این پروژه را در گروی ایجاد مرکز تحقیقات مهندسی بافت وچاپ زیستی درکشورعنوان میکند و میگوید :تنها در این صورت است که ما هم ردیف بودجه خواهیم داشت وهم میتوانیم هیئت علمی جذب کنیم . چراکه اگر بخواهیم دراین پروژه بی وقفه و با تحولات روزانه جهانی در این عرصه همگام باشیم ، سالانه حداقل به یک میلیارد تومان اعتبار نیاز داریم تا نیرو هایی را به صورت پیوسته به کار بگیریم و تحقیقات ما استمرار داشته باشد اما کمبود بودجه با عث ایجاد محدودیت در پروژه میشود.
از وزارت ارشاد مجوز بگیرید !
مشکلات محققان کشور مان در زمینه پروژه چاپ زیستی تنها به کمبود بودجه ختم نمیشود چراکه دکترفخر زاده با اشاره به دردسرهای دریافت مجوز تاسیس شرکت حکایتی را نقل میکند که بسیار تامل بر انگیز است.
او میگوید : زمانی که برای دریافت مجوز تاسیس شرکت مراجعه و اعلام کردیم که شرکت ما در زمینه چاپگرهای زیستی فعالیت میکند، به ما گفتند که چون با چاپ سروکار دارید باید از وزارت فرهنگ وارشاد اسلامی مجوزبگیرید چراکه مجوزهای مربوط به چاپ راوزارت ارشاد صادر میکند !
تولید گوشت با چاپگرهای زیستی
به گفته دکتر حسین فخر زاده ، فناوری چاپ زیستی در حال حاضرفکر محققان را به این سمت برده است که درآینده بتوانند ازطریق این فناوری، گوشت مصنوعی تولید کنند.آنها معتقدند که در صورت تحقق این موضوع با در اختیار داشتن سلولهای بافت عضلانی گوشت، میتوان درکارخانهای که مجهز به چاپگرهای سه بعدی است، درعرض چند ثانیه حجم بسیار زیادی گوشت تولیدکرد .