یکی از بزرگ‌ترین موانع پیش روی ساخت اندام‌های مصنوعی، ایجاد شبکه رگ‌های خونی است؛ رگ‌هایی ظریف‌تر از موی انسان که بتوانند اکسیژن و مواد مغذی را به همه بخش‌های بافت برسانند و بقای آن را تضمین کنند. هرچند دانشمندان در سال‌های اخیر توانسته‌اند بافت‌هایی مانند پوست، عضله، کبد و حتی بخش‌هایی از کلیه را در آزمایشگاه تولید کنند، اما بدون یک شبکه عروقی برای رساندن مواد مغذی، هیچ بافت مصنوعی، صرف نظر از اینکه چقدر شبیه به بافت زنده باشد، نمی‌تواند کارآیی داشته باشد.
برای حل این مشکل، پژوهشگران مؤسسه MIT با مطالعات بسیار، دریافتند که می‌توانند با کشش مکانیکی رگ‌های خونی، رشد آنها را مهندسی و کنترل کنند؛ راهی جدید برای مهندسی رگ‌های خونی مصنوعی و برنامه‌ریزی الگوهای رشد آنها.
«ریتو رامان»، از پژوهشگران مؤسسه MIT می‌گوید: «بافت‌های سالم، نمی‌توانند بدون شبکه‌ای منظم از رگ‌های خونی زنده بمانند. اگر بتوانیم رشد این شبکه را با نشانه‌های فیزیکی برنامه‌ریزی کنیم، ساخت بافت‌های مهندسی‌شده قابل پیوند به بدن، امکان‌پذیر خواهد شد.»

رگ زایی با نیروهای مکانیکی
سال‌هاست پژوهشگران تلاش می‌کنند با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی یا افزودن فاکتورهای رشد شیمیایی، شبکه‌های عروقی مصنوعی ایجاد کنند، اما این فناوری‌ها یا دقت کافی برای ساخت مویرگ‌های بسیار ظریف را ندارند یا محل و جهت رشد رگ‌ها را محدود می‌کنند، این درحالی است که روش جدید MIT رویکرد متفاوتی پیشنهاد می‌کند. به گفته «رامان»، بدن انسان همواره تحت تأثیر نیروهای مکانیکی قرار دارد و سلول‌ها به این نیروها واکنش نشان می‌دهند. بنابراین، تقلید همین شرایط طبیعی می‌تواند راهی مؤثرتر برای ساخت بافت‌های زنده باشد.
برای بررسی این ایده، پژوهشگرانMIT سامانه‌ای کوچک موسوم به «رگ خونی روی تراشه» طراحی کردند؛ تراشه‌ای که ابعادی کوچک‌تر از یک تمبر پستی دارد اما می‌تواند رفتار یک رگ خونی واقعی را شبیه‌سازی کند.
این تیم یک تراشه کوچک پر از ژل و سرشار از مواد مغذی و فاکتورهای رشد را مهندسی کردند و بعد از جاسازی یک آهنربای کوچک درون ژل، سطح آن را با سلول‌های زنده عضله یا نورون پوشاندند. سپس یک آهنربای خارجی را حرکت دادند تا آهنربای جاسازی شده در ژل را به عقب و جلو بکشد.
 این کار نشان داد که «ورزش» مکانیکی، یعنی کشیدن سلول‌ها به جلو و عقب، مستقیماً بر نحوه رشد سلول‌ها تأثیر می‌گذارد. پس از شکل‌گیری این شریان مصنوعی، پژوهشگران با استفاده از آهنرباهای خارجی، ژل و در نتیجه، رگ خونی را به آرامی در جهت‌های مختلف به جلو و عقب حرکت دادند.
 این کشش‌های بسیار ملایم، شبیه نیروهایی بود که رگ‌های خونی در بدن هنگام ضربان قلب یا حرکت عضلات تجربه می‌کنند. با اعمال این تحریک مکانیکی، رگ اصلی شروع به جوانه زدن کرد و مویرگ‌های جدیدی از آن منشعب شدند. مهم‌تر اینکه دانشمندان توانستند با تغییر جهت و شدت کشش، مسیر و الگوی رشد رگ‌های تازه را نیز کنترل کنند.
اگر رگ خونی بدون هیچ تحریکی در ژل باقی می‌ماند، مویرگ‌ها به صورت پراکنده و تصادفی رشد می‌کردند؛ اما زمانی که حرکت مکانیکی به آن اعمال می‌شد، نه تنها تعداد رگ‌های جدید افزایش می‌یافت، بلکه رشد آنها کاملاً قابل هدایت بود.
پژوهشگران دریافتند کشش حدود پنج درصدی، بیشترین تعداد مویرگ‌ جدید را ایجاد می‌کند، در حالی که کشش‌های شدیدتر، اگرچه تعداد جوانه‌ها را کاهش می‌دهد، اما موجب رشد رگ‌های بلندتر می‌شود.حتی جهت حرکت آهنربا نیز تعیین می‌کرد رگ‌های تازه در کدام سمت رشد می‌کنند.این یافته نشان می‌دهد که می‌توان تنها با تنظیم نیروهای مکانیکی، معماری شبکه عروقی را مطابق نیاز هر بافت طراحی کرد؛ قابلیتی که پیش از این، امکان‌پذیر نبود.

ژن‌های دروازه‌بان
پس از مشاهده این پدیده، پرسش مهم‌تری برای پژوهشگران مطرح شد. سلول‌ها چگونه متوجه این کشش‌های مکانیکی می‌شوند و چرا در پاسخ به آنها رگ‌های جدید می‌سازند؟ پاسخ در کانال‌هایی با ژن‌هایی به نام‌های PIEZO1 و PIEZO2 است که به‌عنوان دروازه‌بان‌های سلول عمل می‌کنند.این دروازه‌بانان، آنچه را که وارد سلول شده یا از آن خارج می‌شود، کنترل می‌کنند و پیام‌های لازم را برای آغاز واکنش‌های زیستی به داخل سلول منتقل می‌کنند. این ژن‌ها حلقه اتصال میان تحریک مکانیکی و آغاز فرآیند رگ زایی به شمار می‌روند. به بیان ساده، سلول‌ها بعد از احساس فشار مکانیکی ازطریق این کانال‌ها، فرمان ساخت رگ‌های تازه را صادر می‌کنند.
این کشف، علاوه بر اهمیت بنیادی در زیست‌شناسی سلول، می‌تواند کاربردهای درمانی گسترده‌ای نیز داشته باشد. پژوهشگران در تلاشند از این فناوری برای ساخت شبکه‌های عروقی دقیق در عضلات مصنوعی، پوست، بافت‌های قلبی و سایر اندام‌های مهندسی‌شده، استفاده کنند و دریابند چگونه الگوسازی دقیق رشد رگ‌های خونی، می‌تواند به بهبود عملکرد عضلات کمک کند.
بی شک در آینده، این فناوری‌ می‌تواند زمینه تولید اندام‌های قابل پیوند را در درمان زخم‌های مزمن، سوختگی‌های گسترده، آسیب‌های ناشی از تصادف، بیماری‌های تحلیل‌برنده عضلات و حتی بازسازی بافت قلب پس از سکته را فراهم کند.

منبع:sciencedaily