پوست جدید رشدیافته در آزمایشگاه می‌تواند پیوند عضو را متحول کند

آلبرتو پاپالاردو، صبح قبل از انجام عمل پیوند عصبی بود. او یک ماه گذشته را صرف پرورش مجموعه‌ای از سلول‌های پوستی کرده بود تا درنهایت آن‌ها به شکل نهایی خود برسند: بافت سفید مایل به صورتی به شکل پاهای عقبی موش که می‌شد آن را مانند ساق شلواری روی پای حیوان کشید. اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش می‌رفت، پوست اصلی موش که اطراف پوست پیوندی قرار می‌گرفت، با بافت رشدیافته در آزمایشگاه ادغام می‌شد.

وایرد می‌نویسد، قراردادن پوست جدید کمتر از ۳۰ ثانیه طول کشید و کل رویه کمتر از ۱۰ دقیقه طول کشید. پاپالاردو پزشک و پژوهشگر فوق‌دکتری که در مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا روی پزشکی پوست و مهندسی بافت کار می‌کند، به خاطر می‌آورد: «کاملا جور بود.»

آزمایش موفقیت‌آمیز پاپالاردو و گروهش دستاوردی بزرگ است، زیرا می‌تواند به حل چالش پایداری در درمان سوختگی‌ها و سایر زخم‌های بزرگ کمک کند: نحوه پوشاندن اشکال نامنظم با پوست واقعی و عملکردی.

ماده‌ای که پاپالاردو در آزمایشگاه رشد داده است، نوعی سازه پوستی یعنی ورقه‌ای از سلول‌های انسانی است که می‌تواند روی زخمی پیوند شود که آن‌قدر بزرگ است که امکان پیوند از بخش دیگری از بدن را ندارد.

صنعت سازه‌های پوستیِ رشدکننده در طول ۴۰ سال گذشته پیشرفت چندانی نکرده است. آن‌ها معمولا تکه‌های پوستی مستطیلی یا دایره‌ای مسطح هستند. حسن اربیل آباجی، استادیار مهندس زیستی و مشاور پاپالاردو می‌گوید این سازه‌های پوستی با اشکال اجزای بدن مانند انگشتان و صورت مطابقت ندارند.

قرار دادن تکه‌های دو بعدی روی طرح‌های سه‌بعدی به تکه‌های بیشتر و بنابراین به بخیه‌های بیشتر و جراحی طولانی‌تر نیاز دارد. پوست پیوندی ازنظر زیبایی‌شناسی خوب به‌نظر نمی‌رسد و عملکرد مکانیکی ضعیفی دارد. آباجی فکر کرد: اگر از این هندسه تقلید کنیم، چه؟

پژوهشگران ۲۷ ژانویه در مجله‌ی Science Advances فرایند ساخت پیوند سه‌بعدی بی‌لبه خود را توصیف کرده‌اند که شکل آن با هر قسمتی از بدن می‌تواند سازگار باشد و درزی ندارد. آن‌ها کار خود را با چاپ سه‌بعدی داربستی شروع کردند که به سلول‌های پوست اجازه می‌داد تا طبق شکل موردنظر آن‌ها رشد کنند.

پاپالاردو سلول‌های انسانی را در لایه‌های اطراف داربست تزریق کرد و سپس منتظر ماند تا آن سلول‌ها شبکه متراکمی از مولکول‌های ساختاری را بسازند. پوست مهندسی‌شده ازنظر شکل و عملکرد بهتر از پوست‌های گذشته عمل کرد و وقتی روی موش آزمایش شد، به‌خوبی با پوست اصلی ادغام شد.

راندولف شرمن، مدیر بخش جراحی پلاستیک در مرکز پزشکی سیدرز-ساینای، قبلا بیماران دچار سوختگی‌های شدید را برای سازمان غیرانتفاعی Operation Smile درمان می‌کرد. حتی اگر این بیماران در پی پیوندهای پوستی متداول بهبودی پیدا کنند، ممکن است عملکرد را از دست بدهند. برخی نمی‌توانستند گردن خود را خیلی تکان دهند یا چشم یا دهان خود را به خوبی باز و بسته کنند.

شرمن که در مطالعه جدید مشارکت نداشت، خوشبین است که رویکرد جدید به دست مردم برسد و این حوزه از علم پزشکی را متحول کند. او می‌گوید این سازه پوستی می‌تواند برای درمان هر چیزی از زخم‌های دیابتی گرفته تا زخم بستر و گازگرفتگی سگ و سوختگی‌های شدید مفید باشد. او می‌گوید: «کارآیی بهتر، پذیرش بهتر، عملکرد بهتر و ظاهر بهتر، چهار جنبه تحول‌آفرین احتمالی از محصول جدید هستند.»

پوست اندامی دشوار برای مهندسی زیستی است، زیرا از انواع مختلفی از سلول‌ها تشکیل شده است که شکل‌های پیچیده‌ای را ایجاد می‌کنند و خواص مکانیکی آن در قسمت‌های مختلف با هم فرق دارد. برای مثال پوست روی کمر شما ازنظر شکل و عملکرد با پوست روی صورت یا پوست روی دست‌های شما فرق دارد.

پوست مانند ورقه پلاستیکی نیست که روی بدن کشیده شده باشد. پوست اندامی دارای عملکرد است که کارهای زیادی را انجام می‌دهد. پوست دمای بدن را تنظیم می‌کند و به حفظ هیدراتاسیون کمک می‌کند. همچنین، پایانه‌های عصبی موجود در پوست رابط ما با دنیای بیرون هستند و گرما، سرما، تیزی و کندی را احساس می‌کنند.

در طول دهه گذشته مهندسان زیستی گام‌های بزرگی درجهت ایجاد پیچیدگی‌های توصیف‌شده در بافت‌های رشدیافته در آزمایشگاه برداشته‌اند. برای مثال، آن‌ها سلول‌ها را با پیش‌سازهای لازم برای فولیکول‌های مو و عروق خونی کشت داده‌اند. اما آباجی نمی‌توانست از چیزی چشم‌پوشی کند که احساس می‌کرد به‌طور قابل‌توجهی نادیده گرفته شده است: هندسه پوست.

پوست کل گوشه و کنار بدن ما را می‌پوشاند و آباجی متوجه شد این مهندسی به ایجاد انسجام ساختاری آن کمک می‌کند. صفحه تخت نمی‌تواند این کار را انجام دهد. او می‌گوید: «به‌عنوان یک مهندس، این مساله آزارم می‌داد.»

تیم او آزمایش خود را با رشد دادن پوست به شکل استوانه‌ای ساده‌ای آغاز کرد. آن‌ها از اسکن سه‌بعدی یا مدل دیجیتال برای چاپ داربست پلاستیکی نفوذپذیری برای سلول‌های دو لایه از پوست یعنی درم (داخلی) و اپی‌درم (بیرونی) استفاده کردند.

پاپالاردو فیبروبلاست‌ها (سلول‌های درم) را با کلاژن در اطراف داربست قالب‌ریزی کرد. پس اینکه لایه به مدت دو هفته به بلوغ رسید، او کراتینوسیت ها یعنی سلول‌های موجود در اپی‌درم را اضافه کرد. سپس ترکیب به مدت یک هفته درمعرض هوا از یک سمت و درمعرض مایع از سمت دیگر قرار گرفت. آباجی می‌گوید: «فکر کردیم اگر بتوانیم یک استوانه بسازیم، می‌توانیم هر شکلی را بسازیم.»

این دستاورد موجب بحث میان پژوهشگران شد: اکنون چه چیزی بسازیم؟ یک گروه می‌خواستند صورت را رشد دهند، اما درنهایت گروه دیگر که می‌خواستند دست را رشد دهند، برنده شدند. آن‌ها ساختاری پنج انگشتی را تجسم کردند که از مچ قیچی می‌شد، مانند دستکش روی آن کشیده می‌شد و سپس بخیه می‌خورد. آباجی می‌گوید: «فقط باید اطراف ناحیه مچ را بانداژ کنید و این کل عمل جراحی خواهد بود.»

بنابراین، آزمایشگاه داربست پنج انگشتی را درحدود اندازه یک بسته شکر (بسته‌بندی‌های کوچکی که معمولا در رستوران‌ها و چای‌خانه‌ها به مشتریان ارائه می‌شود و حاوی ۲ تا ۴ گرم شکر است) را چاپ کرد، سلول‌ها را مانند قبل آماده کرد و سپس این سازه بدون لبه را با پیوندهای متداول مقایسه کرد.

در آزمایش کرنش مکانیکی، سازه‌های بدون لبه تا ۴۰۰ درصد بر تکه‌های صاف برتری داشتند. تصاویر میکروسکوپی ماتریکس خارج سلولی (شبکه‌ای از پروتئین‌ها و مولکول‌ها که ساختار بافت را ایجاد می‌کنند) طبیعی‌تر و سالم‌تری را نشان می‌داد. این ماتریکس دارای مولکول‌های بیشتری مانند اسید هیالورونیک و آرایش واقعی‌تری از سلول‌ها بود. آباجی خوشحال و درعین‌حال تعجب‌زده بود: «شگفت‌انگیز بود که ببینیم چگونه سلول‌ها به تغییر در هندسه واکنش نشان می‌دهند.» او فکر می‌کند این روش در ایجاد جایگزین طبیعی‌تر پوست بهتر عمل می‌کند، زیرا به سلول‌ها اجازه می‌دهد به روش طبیعی‌تری رشد کنند.

اما آیا پیوند پوستی مانند مورد توصیف‌شده می‌تواند انجام شود؟ آزمایش‌های پاپالاردو روی موش که آن را ۱۱ بار تکرار کرد، نشان می‌دهد این امر امکان‌پذیر است. انجام همین جراحی با پیوندهای صاف ممکن نبود. او تصمیم گرفت تا این کار را روی اندام حرکتی عقبی موش آزمایش کند، زیرا هندسه این ناحیه بسیار پیچیده است. چهار هفته بعد، جایگزین پوست به‌طورکامل با پوست واقعی موش ادغام شده بود.

آدام فاینبرگ، مهندس زیست‌پزشکی در دانشگاه کارنگی ملون می‌گوید: «روش انجام کار آن‌ها بسیار هیجان‌انگیز بود. در مسیری قرار داریم که این فناوری‌ها به‌طور گسترده در دسترس قرار می‌گیرند. درنهایت در حدود ده سال آینده نحوه ترمیم بدن انسان پس از جراحت یا بیماری واقعا تغییر خواهد کرد.»

فاینبرگ به‌ویژه دراین‌مورد هیجان‌زده است که پژوهشگران چگونه می‌توانند به رشد عروق خونی در پوست کمک کنند. این می‌تواند موهبت بزرگی برای افرادی باشد که دچار زخم دیابتی هستند. فاینبرگ می‌گوید: «عروق‌زایی چیزی است که بافت را زنده نگه می‌دارد. یکی از دلایل ابتلای افراد به زخم‌های دیابتی این است که بافت آن‌ها گردش خون ضعیفی دارد. اگر مهندسان بتوانند کار خود را با کیفیت عروقی بهتری شروع کنند، ممکن است به موفقیت بیشتری در درمان این بیماران دست پیدا کنند.»

ساشانک ردی، جراح پلاستیک و مهندس بافت در دانشگاه جانز هاپکینز خاطرنشان می‌کند که تیم می‌تواند این ساختارها را از نمونه‌های پوستی بسیار کوچک نیز رشد دهد، نه اینکه مجبور باشد تکه بزرگی از بافت را از قسمت دیگری از بدن بیمار به بخشی که به پوست نیاز دارد، پیوند بزند. ردی می‌گوید: «مثلا برای ترمیم پوست کل بازوی فرد مجبور هستم مقدار زیادی پوست از سایر قسمت‌های بدن او از کمر یا از ران او قرض بگیرم. برداشت بافت موجب نقص محلی می‌شود که پوست از آن گرفته شده است. خوبی این رویکرد فقط هندسه نیست، بلکه این است که از نقص محل اهداکننده جلوگیری می‌کند.»

شرمن خاطرنشان می‌کند پیوندی که می‌تواند در عرض یک ساعت انجام شود، پیشرفت بزرگی نسبت به عمل‌های پیوند امروزی است که بین ۴ تا ۱۱ ساعت طول می‌کشد و به بیهوشی گسترده برای بیمار آسیب‌پذیر نیاز دارد.

ردی می‌گوید، با‌این‌حال قبل از اینکه جراحان بتوانند از سازه‌های جدید استفاده کنند، آن‌ها باید بتوانند از چندین مانع عبور کنند (مانند کارآزمایی‌های بالینی). شرکت‌های زیادی برای کاشت بافت مهندسی‌شده روی بیماران تلاش نکرده‌اند. سال گذشته شرکتی به نام 3DBio گوش چاپ‌شده از سلول را به یک انسان پیوند زد.

ردی همچنین خاطرنشان می‌کند که این بافت فاقد چندین عنصر پوست واقعی ازقبیل فولیکول‌های مو و غده های عرق است که در تثبیت پوست نقش مهمی دارند. ترکیب رنگدانه‌های پوست نیز برای سازگاری با رنگ پوست بسیار مهم است. اما او خوش‌بین است که این ویژگی‌ها را می‌توان به پوست آن‌ها اضافه کرد و خاطرنشان می‌کند که آزمایش‌های انجام‌شده روی موش آسان‌تر از کارآزمایی‌های دارویی که روی موش‌ها انجام می‌شود، در انسان تکرار می‌شود.

آباجی همچنین می‌گوید از این پوست مهندسی‌شده می‌توان برای آزمایش داروها و لوازم آرایشی و همچنین برای مطالعه زیست‌شناسی بنیادی نیز استفاده کرد. اما ایده اصلی او ایجاد پیوند است و به‌طور ایده‌آل پیوندهایی که می‌توانند به شکل قطعه پوشیدنی واحدی ایجاد شوند و می‌توانند به‌کمک سایر گروه‌های پژوهشی متخصص در زمینه‌ی عضله، غضروف یا چربی مهندسی شوند. در همین حین، گروه او روی ساخت سازه‌های بزرگ‌تر مثلا دست یک مرد بالغ کار کرده است. (آن‌ها فکر می‌کنند نمونه پوستی ۴ میلی‌متری برای رشد بافتی حاوی ۴۵ میلیون فیبروبلاست و ۱۸ میلیون کراتینوسیت موردنیاز برای پیوندی با آن اندازه کافی است).

آن‌ها همچنین قصد دارند استفاده از داربست را کنار بگذارند و دست به چاپ بافت واقعی بزنند. این امر تنها تنها برخی از مراحل را حذف می‌کند، بلکه به آن‌ها کنترل بیشتری روی ضخامت و عملکرد پوست در قسمت‌های مختلف می‌دهد. مهندسان بافت اطمینان دارند که رویکردهای جدیدی مانند روش توصیف‌شده به کلینیک‌ها راه پیدا خواهند کرد. فاینبرگ می‌گوید: «تنها مساله‌ای که وجود دارد، این است که چه زمانی آن‌ها دردسترس قرار می‌گیرند، نه اینکه آیا درنهایت دردسترس قرار خواهند گرفت.»