اعضای بدن در مدار: چگونه چاپ زیستی در فضا می‌تواند سفرهای بین‌سیاره‌ای را ممکن سازد

توسعه فناوری تولید افزودنی (چاپ سه‌بعدی) در دهه‌های اخیر به‌طور قابل‌توجهی پیشرفت کرده است. در ابتدا به نمونه‌سازی سریع و ساخت مدل‌های پلاستیکی محدود بود، اما اکنون برای تولید صنعتی با استفاده از مواد مختلف، از جمله فلز، به‌صورت تجاری در دسترس است.

یکی از پیشرفت‌های مهم ظهور چاپ زیستی سه‌بعدی است، جایی که لایه‌هایی از سلول‌های زنده به شکل‌گیری ساختارهای ارگانیک سه‌بعدی می‌پردازند. از سال 2012، شرکت‌های بیوتکنولوژی و مؤسسات دانشگاهی برای مقاصد پزشکی بیومدیکال در حال تحقیق بر روی این فناوری هستند. مراکز پزشکی ممکن است به زودی بتوانند اعضای جایگزین، پوست ، بافت‌های عروقی ، غضروف ، بافت مغزی و بخش‌های بدن را با استفاده از سلول‌های بنیادی بیمار بسازند.

تکنولوژی همچنین کاربردهای فضایی دارد. سازمان‌های فضایی و شرکت‌های بیوتکنولوژی در حال تحقیق بر روی چاپ زیستی در ایستگاه بین‌المللی فضایی (ISS) هستند، جایی که ریزجاذبه اجازه می‌دهد تا کشت‌های سلولی به راحتی رشد کنند. بر روی زمین، چاپ زیستی به یک چارچوب یا ساختار دیگری (یک محیط ژل یا ماتریکس قند) برای حمایت از بافت‌ها هنگام قراردهی نیاز دارد. با این حال، در نزدیکی وزن معلق در LEO، بافت‌ها بدون نیاز به ساختار‌های پشتیبان در سه بعد رشد می‌کنند.

این می‌تواند مراقبت بهداشتی روی زمین را تغییر دهد و کاوش فضایی انسان را با کاهش وابستگی به منابع تأمین‌شده از زمین به پیش ببرد.

منشاء چاپ زیستی

فرآیند چاپ سه‌بعدی زیستی به آزمایش‌هایی که در سال 2003 توسط محققان دانشکده پزشکی هاروارد در بیمارستان کودکان بوستون انجام شد، بازمی‌گردد. تیم با ساخت داربست‌هایی از کلاژن و پلیمر سنتتیک و سپس لایه‌گذاری آنها با سلول‌های بنیادی بیماران، مثانه‌های ادراری جایگزین ساختند.

این امر منجر به ایجاد آنتونی آتالا ، پژوهشگر این تحقیق، برای تاسیس موسسه پزشکی بازساختی ویک فارست (WFIRM) در سال 2004 شد، جایی او هم‌اکنون به عنوان استاد اورولوژی G. Link فعالیت می‌کند. در سال‌های پس از تأسیس آن، دانشمندان WFIRM موفق به مهندسی چندین نوع بافت و ساختار توسط دست و کاشت آنها در بیماران به عنوان بخشی از تلاش‌های کلینیکی کوچک شدند.

همچنین، آتالا و همکارانش به دنبال راه‌هایی برای خودکار کردن فرآیند بودند. آزمایش‌های آنها با استفاده از چاپگر معمولی دسکتاپ منجر به توسعه دستگاه‌هایی شد که قادر به چاپ داربست‌های سفارشی برای اعضای بدن انسان بودند. این تلاش‌ها به توسعه اولین چاپگرهای زیستی سه‌بعدی – سیستم چاپ یکپارچه بافت و عضو (ITOP) منتهی شد. از سال 2012، فناوری به نقطه تمرکز تحقیقاتی برای ایجاد بیو مواد و اعضا تبدیل شده است.

مزایای چاپ زیستی

هدف اصلی حل بحران اهدا کننده اعضا با ایجاد اعضای جایگزین است. این می‌تواند به معنای زمان انتظار کوتاه‌تر برای ترمیم، اعضای مناسب با ژنتیک و فیزیولوژی بیمار و کاهش خطر پس‌زدگی باشد. بیماران ممکن است نیاز به مصرف داروهای ضد پس‌زدگی نداشته باشند و از اثرات مضر آن‌ها جلوگیری کنند. این اثرات شامل فشار خون بالا، دیابت، کلسترول بالا، افزایش خطر عفونت‌ها، اثرات جانبی گوارشی و افزایش خطر برخی از انواع سرطان می‌باشد.

در حالی که پیشرفت‌هایی حاصل شده است، بسیاری از چالش‌ها هنوز نیاز به حل دارند تا چاپ زیستی سه‌بعدی برای استفاده کلینیکی پذیرش شود. دکتر میکایلا موسیلوا ، زیست‌شناس استروبیولوژی برجسته، فضانورد آزمایشی، پژوهشگر و نویسنده، در سازمان‌های مختلف جهانی از جمله ناسا، ESA، و CalTech تحقیقات مرتبط با فضا انجام داده است. به گفته او به مهندسی جالب از طریق ایمیل، چاپ زیستی در مدار نزدیک به زمین می‌تواند به محققان پزشکی در حل یکی از مسائل اصلی کمک کند:

“تقاضا برای پیوند اعضا به‌طور فوق‌العاده‌ای بالاست و توانایی چاپ زیستی اعضا می‌تواند به شمار بسیاری از افراد با بیماری‌های جدی کمک کند. چاپ زیستی سه‌بعدی در فضا می‌تواند واقعاً مراقبت بهداشتی روی زمین را متحول کند و به ما اجازه دهد تا اعضای بدن را در ریزجاذبه چاپ کنیم. وقتی سعی می‌کنیم یک عضو چاپ کنیم، با سلول‌های فردی کار داریم که در مرحله‌های اولیه بسیار شکننده هستند.

“در سطح زمین، تحت‌تأثیر جاذبه یک‌گ، این ساختارهای ظریف زیر وزن خود فرو می‌ریزند. اما در ریزجاذبه، نیروی مخرب حداقل است و ما می‌توانیم ساختارهای ظریف را در یک حالت واقعی سه‌بعدی چاپ کنیم. این مزیت ویژه اجازه می‌دهد تا سلول‌ها به شکل روش‌های پیچیده و عملکردی ترکیب و رشد کنند که اینجا روی زمین امکان‌پذیر نیست.”

آزمایش‌ها در ISS

تحقیقات در ISS از سال 2014 با بررسی چاپ سه‌بعدی در جاذبه صفر آغاز شد، که نشان داد چاپ سه‌بعدی با مواد غیرآلی مانند پلاستیک در ریزجاذبه به‌صورت عادی عمل می‌کند.

در بین سال‌های 2018 و 2020، آژانس فضایی دولتی روسیه (Roscosmos) آزمایش‌هایی را در ISS با استفاده از چاپگر زیستی مغناطیسی به نام Organ.Aut انجام داد. این آزمایش‌ها نشان دادند که چاپ زیستی در ریزجاذبه می‌تواند ساختارهای بافتی ایجاد کند و راه پژوهش‌های اضافی برای تولید اعضا مصنوعی را هموار کنید.

آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی آلمان (DLR) نیز یک آزمایش در ISS به نام Bioprint FirstAid انجام دادند. این شامل یک نمونه اولیه برای یک چاپگر زیستی دستی قابل حمل بود که یک وصله سفارشی را از سلول‌های پوستی خود بیمار ایجاد می‌کند. هدف از این، آزمایش تکنیک‌های چاپ زیستی بود که می‌تواند با چگونگی تغییر فرآیند بهبود در ریزجاذبه سازگار شود. این دستگاه می‌تواند برای فضانوردان در ماموریت‌های طولانی به ماه و مریخ حیاتی باشد و همچنین کاربردهای گسترده‌ای در زمین دارد.

تحقیقات چاپ زیستی ناسا در ISS در تسهیلات ساخت بیولوژیکی (BFF) که توسط شرکت Redwire Corporation

تحقیقات BFF-Meniscus و BFF-Meniscus-2، که بر سلول‌های مزانشیمی استرومالی (MSC) – سلول‌های بنیادی ایزوله شده از مغز استخوان و بافت‌های دیگر – برای ایجاد بافت‌های همبند متکی هستند، دنبال شدند. در تابستان 2023، این آزمایش به طور موفقیت‌آمیزی از MSC برای چاپ یک منیسک زانوی انسانی استفاده کرد. این آزمایش توسط بخش تحقیقات بیومدیکال دانشگاه خدمات بهداشتی یکپارچه (4DBio3ء انجام شده و هدف آن ایجاد درمان‌های بهبود یافته برای آسیب‌هایی مانند پارگی‌های منیسک است که در سربازان به طور متداول اتفاق می‌افتد.

همچنین آزمایش ساخت شبکیه مصنوعی بر پایه پروتئین توسط LambdaVision Inc با همکاری Space Tango Inc در حال انجام است. این تحقیق قصد دارد روش‌های تولید فضایی را تأیید و توسعه دهد برای شبکیه‌های مصنوعی. بر روی زمین، گرانش کیفیت فیلم‌های چاپ لایه‌های پروتئین شبکیه را تحت تاثیر قرار می‌دهد، اما فیلم‌هایی که در ریزجاذبه ایجاد شده‌اند، پایدارتر بوده و وضوح نوری بالاتری دارند. این آزمایش به صورت موفقیت‌آمیز چند فیلم شبکیه مصنوعی 200 لایه‌ای تولید کرد و شرکت‌ها اکنون مشغول به تجاری‌سازی سخت‌افزار و تدوین استراتژی برای درمان‌ها و داروهای دیگر هستند.

“ما انسان‌ها از سال 2000 حضور پیوسته‌ای در ایستگاه بین‌المللی فضایی داریم. اما این ابتکار ما را یک قدم به جلو به سمت تبدیل شدن به گونه‌ای واقعاً مسکونی فضا با افرادی که فضا را محل کار خود می‌خوانند، خواهند برد،” دکتر موسیلوا گفت.

کاربردها برای زمین و فراتر از آن

با اضافه شدن قابلیت‌های چاپ زیستی در فضا، خدمه به‌زودی ممکن است قابلیت چاپ سه‌بعدی تقریباً هر آنچه که نیاز دارند، از جمله بافت‌های زنده، را داشته باشند. کاربردهای بالقوه شامل آسیب‌های اسکلتی-عضلانی است، یکی از شایع‌ترین آسیب‌ها برای ورزشکاران و پرسنل نظامی، و درمان‌های بهبود یافته برای خدمه‌ای که در مأموریت‌های فضایی آینده دچار آسیب‌های اسکلتی-عضلانی می‌شوند.

شبکیه‌های مصنوعی چاپ زیستی شده می‌توانند به 30 میلیون نفر در سراسر جهان که از اختلالات و بیماری‌های شبکیه رنج می‌برند، کمک کنند. چاپ زیستی در ریزجاذبه همچنین می‌تواند گوشت آزمایشگاهی و دارو برای مأموریت‌های فضایی آینده تولید کند. این امر نیاز به وابستگی به خوراک و مواد پزشکی راه‌اندازی شده از زمین را کاهش می‌دهد و به سلامت و ایمنی اعضای خدمه در طول مأموریت کمک می‌کند.

با استفاده از سلول‌های کشت‌شده از بیمار خطر پس‌زدگی توسط سیستم ایمنی کاهش می‌یابد و دستگاه انعطاف‌پذیری بیشتری در پرداختن به اندازه و موقعیت زخم ارائه می‌دهد. از آنجا که دستگاه کوچک و قابل‌حمل است، کارکنان بهداشتی می‌توانند آن را تقریباً به هر نقطه‌ای از زمین برید و بروند. تحقیق نشان داده که دستگاه در ریزجاذبه به‌عنوان مثال نتیجه می‌دهد و محققان در حال مطالعه روی پچ‌های چاپ شده در فضا هستند و آنها را با نمونه‌هایی که بر روی زمین چاپ شده‌اند مقایسه می‌کنند قبل از برداشتن گام بعدی.

“برای ساختن این به واقعیت، ما نیاز به زیرساخت‌هایی در مدار نزدیک به زمین داریم تا این تجهیزات چاپ سه‌بعدی و انسان‌هایی که باید آن را مدیریت کنند را جا دهیم. پیامدهای شگفت‌انگیز این است که این یک فضای کار در فضا ایجاد خواهد کرد که انسان‌ها در آن کار می‌کنند، با تمام پیامدهایی که چنین فعالیتی به همراه دارد،” گفت دکتر موزیلووا.

“علاوه بر این، به عنوان یک محقق متمرکز بر خواب انسانی برای سفر فضایی بلند مدت، من می‌بینم که توانایی جایگزینی اعضای پیری می‌تواند محدودیت‌های بیولوژیکی درخصوص دوام ما در فضا را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. با غلبه بر این محدودیت‌ها، ما افق‌های خود را گسترش داده و کاوش فضایی بلند مدت را بیشتر امکان‌پذیر می‌کنیم نسبت به گذشته،” او اضافه کرد.

توسعه چاپ سه‌بعدی صنعت و تولید را همانطور که ما می‌شناسیم انقلابی کرده است، و کاربردهای آن اکنون به فضا گسترش یافته است. این پتانسیل را دارد که تولید را با معرفی ساخت در مدار و تولید در فضا بیشتر متحول کند، جایی که همه چیز از ابزارها و قطعات جایگزین تا کل فضاپیماها می‌توانند در فضا ساخته شوند.

به عنوان یکی از چندین محصولات جانبی این فناوری، چاپ زیستی پتانسیل دارد که این انقلاب را بیشتر تمدید کند و اجازه ایجاد اعضاء و بافت‌های جایگزین، بیو مواد، و حتی غذا – همه از سلول‌های کشت شده رشد کنند را بدهد. این تأثیری قابل‌توجه در درمان‌های پزشکی در اینجا روی زمین خواهد داشت و همچنین تسهیل مهاجرت مردم به فراتر از زمین را فراهم خواهد کرد.

چاپ زیستی نه تنها به جایگزینی اعضا برای افرادی که از اثرات و سفرهای فضایی رنج می‌برند، اجازه خواهد داد، بلکه ظرفیت تولید اعضاء بدن، بافت همبند، شبکیه، استخوان و پیوندهای پوستی در محل نیز می‌تواند به انسان‌ها اجازه دهد بیش‌تر و سالم‌تر در فضا و بر روی سایر سیارات زندگی کنند.