ساخت دریچه‌ مصنوعی قلب با قابلیت خود ترمیمی و ماندگاری بالا

قلب انسان در طول یک سال حدود ۶۵ میلیون بار می‌تپد و خون را از طریق چهار دریچه‌ی موجود در آن، به سرتاسر بدن می‌فرستد. متأسفانه در بعضی موارد، عملکرد بافت‌های ظریف و حساس قلب به دلیل نقض‌های ژنتیکی، کهولت سن یا عفونت دچار اختلال می‌شود؛ به‌گونه‌ای که هرساله بیش از ۴ میلیون نفر مبتلا به بیماری دریچه‌ی قلبی می‌شوند.

اختلال در عملکرد دریچه‌ها‌ی قلب در بیشتر موارد مشکل خاصی برای بیمار ایجاد نمی‌کند؛ با این حال امروزه پزشکان با استفاده از روش‌های درمانی متنوع قادرند اختلال شدید در عملکرد دریچه‌ها را از بین ببرند. در بسیاری از موارد با انجام عمل قلب باز و ترمیم دریچه، این مشکل به احتمال زیاد به‌صورت دائم از بین می‌رود؛ اما در موارد وخیم‌تر پزشکان می‌توانند دریچه‌ی معیوب را با دریچه‌ی مصنوعی و یا دریچه‌ی حیوانی یا انسانی گرفته‌شده از جسد انسان تعویض کنند. تعویض دریچه تا حد زیادی می‌تواند عملکرد قلب را به حالت عادی برگرداند، با این حال دریچه‌ی تعویض شده محدودیت‌هایی برای بیمار ایجاد می‌کند. در صورت استفاده از دریچه‌ی مصنوعی، بیمار باید تا آخر عمر داروهای ضد انعقاد خون مصرف کند. همچنین کیفیت دریچه‌های طبیعی نیز بعد از چند سال افت می‌کند و از این‌رو ممکن است بیمار دوباره به تعویض دریچه نیاز داشته باشد. علاوه بر این، دریچه‌های طبیعی یا مصنوعی که در کودکان استفاده می‌شوند، بعد از مدتی باید تعویض شوند؛ چرا که به همراه قلب کودک رشد نمی‌کنند.

اما اخیرا یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر کوین پارکر، از مؤسسه‌ی بیولوژی مبتنی بر مهندسی در دانشگاه هاروارد، توانسته است با استفاده از نانوالیاف، روشی برای ساخت سریع دریچه‌های قلبی با پتانسیل رشد دوباره و از نوع ترمیم شونده توسعه دهد. در مقاله‌ی چاپ‌شده در ژورنال بیومتریالز آمده است که دکتر اندرو کاپولی و همکارانش پیش از این موفق به ساخت یک شبکه‌ی نانوالیاف به شکل دریچه‌‌های قلبی شده‌اند؛ شبکه‌ای که می‌تواند ویژگی‌های شیمیایی و مکانیکی مربوط به ماتریکس برون‌یاخته‌ای دریچه‌های طبیعی (ECM) را بازآفرینی کند. کاپولی برای انجام این کار از تکنولوژی اختصاصی آزمایشگاه پارکر موسوم به جت دوار استفاده کرده است. جت دوار در واقع نوعی نازل در حال چرخش است که محلول ECM را به داخل نانوالیاف وارد می‌کند. این نانوالیاف نیز خود را به دور قالبی شبیه دریچه‌ی قلب می‌چسباند. دکتر پارکر در این ارتباط توضیح می‌دهد:

در واقع آن چیزی که ما ساخته‌ایم شبیه یک دستگاه پشمک‌ساز سریع و پیشرفته است که مواد طبیعی و مصنوعی به‌سرعت در داخل آن در حال چرخش هستند. ما در این مطالعه از پلیمرهای مصنوعی و پروتئین ECM برای ساخت دریچه‌های سازگار از لحاظ بیولوژیکی استفاده کرده‌ایم. این دریچه‌ها را می‌توان در قلب جاگذاری کرد. همچنین دریچه‌ها از کوچ یاخته‌ای پشتیبانی می‌کنند و البته قابلیت رشد در خارج از بدن و در محیط آزمایشگاهی دارند. از همه مهم‌تر این‌که ما می‌توانیم دریچه‌های انسانی را در عرض چند دقیقه تولید کنیم؛ یعنی بسیار سریع‌تر از ساخت‌ پروتز‌های خودترمیم شونده‌ی دیگر.

برای بررسی و توسعه‌ی بیشتر قابلیت‌های بالینی دریچه‌های جدید، تیم تحقیقاتی پارکر با تیمی از دانشگاه زوریخ سوئیس به سرپرستی دکتر سایمون هورستراپ همکاری کرده است. گفتنی است که دانشگاه زوریخ و دانشگاه هاروارد در بخش‌های مختلف علمی با یکدیگر همکاری می‌کنند. هورستراپ و تیم او به‌عنوان یکی از پیشروان طراحی و ساخت پروتز‌های ترمیم شونده‌ی قلبی محسوب می‌شود. آن‌ها پیش از این دریچه‌ی قلبی مهندسی‌شده از نوع خودترمیم شونده توسعه داده بودند که به‌خوبی می‌تواند جانشین دریچه‌ی مصنوعی شود. در روشی که دکتر هورستراپ طراحی کرده است، سلول‌های انسانی مستقیما لایه‌ای از ECM ترمیم شونده‌ی پیچیده را روی قالبی به شکل دریچه‌ها‌ی قلبی تزریق می‌کنند. این قالب‌ها به لحاظ زیستی قابل تجزیه هستند؛ همچنین در ادامه، سلول‌های زنده از قالب‌ها حذف‌ می‌شود و نتیجه‌ی کار یک پروتز مبتنی بر ماتریکس انسانی است که می‌توان آن را در قلب انسان کار گذاشت.

اما از طرف دیگر دکتر پارکر و تیم تحقیقاتی او متشکل از دانشمندانی از چند رشته‌ی مختلف، با موفقیت توانسته‌اند دریچه‌های نوع جدید را با روش غیرتهاجمی در قلب گوسفند جاگذاری کنند. عملکرد دریچه‌ها در هدایت خون درون قلب، طبق گفته‌ی پارکر بسیار عالی بوده است. همچنین این دریچه‌ها بعد از تحلیل رفتن بافت‌ها به‌خوبی توانستند بافت‌های جدید بسازند. هورستراپ در مورد دستاورد جدید پارکر می‌گوید:

ما در مطالعات قبلی از قالب‌های پوشیده از ECM استفاده کردیم که در آن سلول‌های زنده از قلب گرفته و تکثیر می‌شدند. این دریچه‌ها از بازسازی ماتریکسی، رشد دوباره‌ی بافت‌ها و حتی رشد حیوانی پشتیبانی می‌کردند. با این‌که این‌گونه از دریچه‌ها کاملا امن و مؤثر بودند؛ اما روند ساخت آن‌ها طولانی و پرهزینه است، چرا که ابتدا باید سلول‌های انسانی به مدت طولانی تحت شرایط مشخص کشت داده شوند؛ اما روند ساخت دریچه‌های جدید بسیار سریع‌تر است. اگر ما بتوانیم نتایج مطالعه روی گوسفند را در انسان نیز تکرار کنیم، در آن صورت می‌توانیم ادعا کنیم که این تکنولوژی درمانی قطعی و یک‌باره برای مشکلات دریچه‌ای به‌خصوص در کودکان خواهد بود.

در حمایت‌ از تلاش‌های صورت گرفته در زمینه‌ی ساخت دریچه‌های قلبی جدید، چندی پیش مؤسسه‌ی بیولوژی مبتنی بر مهندسی از دانشگاه هاروارد و دانشگاه زوریخ سوئیس اعلام کردند که گروه تحقیقاتی مشترکی برای طراحی دریچه‌های قلبی کاربردی با قابلیت ترمیم، بازسازی و رشد خودکار تشکیل خواهند داد. این تیم همچنین روی روش‌های تولید باکیفیت دریچه‌های شخصی‌سازی شده، مقیاس‌پذیر و کم‌هزینه که کم‌ترین عوارض جانبی برای بیماران به همراه داشته باشد، کار خواهد کرد. همچنین دریچه‌های جدید با روش‌های جاگذاری غیرتهاجمی در بیماران بالغ و کودکان سازگار خواهد بود.

این پروژه مشترکا توسط پارکر و هورستراپ رهبری خواهد شد. پارکر از اعضای مهم هیئت علمی هاروارد و استاد مهندسی زیستی در دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی در دانشگاه هاروارد است. هورستراپ نیز مدیر مؤسسه‌ی پزشکی ترمیمی در دانشگاه زوریخ است.

دریچه‌های جدید قلبی باید در شکل و اندازه‌ی دلخواه در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه تولید شوند؛ بنابراین هدف تیم تحقیقاتی این است که روشی برای ساخت دریچه‌های آماده با سرعت زیاد و هزینه‌ی کم توسعه دهد. رسیدن به هدف ساخت دریچه‌های جدید با قابلیت خودترمیم شوندگی و هماهنگ با رشد قلب تأثیر شگفت‌آوری بر زندگی بیماران مبتلا به بیماری دریچه‌ی قلب در تمام سنین و در سرتاسر جهان خواهد گذاشت. تشکیل تیم بین‌المللی از متخصصان حوزه‌های مختلف پزشکی، مهندسی زیستی، پزشکی ترمیمی و جراحی به همراه کارشناسان حوزه‌ی تجارت، فرصتی بی‌نظیر برای پیشبرد این هدف در اختیار دانشمندان قرار داده است.