تقنية جديدة تسمح بطباعة ثلاثية الأبعاد للأنسجة الدماغية الوظيفية

طباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء

الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو التصنيع الإضافي، تُحدث ثورة هادئة في طريقة التصنيع، مع توفر مئات المواد الآن للطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، قد يكون أكثر المواد إثارة ليس للتصنيع بل للأغراض الطبية: الأنسجة البيولوجية.

قد تجعل الطباعة الحيوية يومًا ما من الممكن طباعة ثلاثية الأبعاد حرفيًا لقلب أو كبد أو رئة بشرية عند الطلب، جاهزة للزرع. هذا ما استكشفناه في مقالتنا “الأعضاء عند الطلب: أفضل أسهم الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد”.

تم تحقيق مستوى جديد في الطباعة الحيوية بواسطة فريق بحثي في جامعة ويسكونسن–ماديسن، بقيادة سو-تشون تشانغ، أستاذ علم الأعصاب وطب الأعصاب. تمكنوا من طباعة ثلاثية الأبعاد لأنسجة دماغية يمكنها النمو والوظيفة مثل النسيج الدماغي التقليدي. هذا حقًا ثوري ونتيجة أفضل بكثير من جميع المحاولات السابقة لطباعة أنسجة دماغية ثلاثية الأبعاد حتى الآن.

حبر بيولوجي مُحسّن

المفتاح لهذا الاختراق العلمي كان تعديل التقنية المعتادة للطباعة الحيوية لتلبية الاحتياجات الخاصة للخلايا العصبية.

عادةً، تضيف الطباعة الحيوية الخلايا فوق بعضها عموديًا، باستخدام مادة هيكلية معقدة. بدلاً من ذلك، اختار فريق تشانغ تصميمًا أفقيًا، واستخدموا جل حبر بيولوجي أكثر ليونة مما كان يُستعمل سابقًا.

يسمح الجل الأكثر ليونة للخلايا العصبية بالنمو والتفاعل مع بعضها البعض تمامًا كما يحدث في الدماغ الحقيقي. كما أن الجل الأرق نسبيًا يسمح بانتشار أفضل للأكسجين، ويمكن للأنسجة النامية أن تمتص بالكامل العناصر الغذائية من الجل.

المصدر: Cell Stem Cell

في المجمل، ينتج عن ذلك نسيج يشبه النسيج الدماغي الحقيقي أكثر من أي نموذج موجود. ليس فقط أن الأنسجة أكثر ترابطًا، بل يمكن للخلايا العصبية التواصل بشكل طبيعي مع بعضها البعض، بالإضافة إلى إضافة خلايا داعمة إلى الأنسجة. هذه الخلايا الداعمة ليست خلايا عصبية تشارك في النشاط العصبي/العصبي لكنها تلعب دورًا أساسيًا في الحفاظ على وظائف الخلايا العصبية النشطة وصحتها.

أداة بحثية جديدة

مقارنةً بما يُستخدم حاليًا، الأورغانويدات الدماغية، فإن هذه الأنسجة الدماغية المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر واقعية ومفيدة لفهم كيفية عمل الدماغ الحقيقي.

المصدر: Broad Institute

من خلال التحكم الكامل في بنية نسيج الدماغ النموذجي، يمكن للباحثين استخدام هذه التقنية لإنشاء نسخ واقعية من أدمغة تعاني من مرض الزهايمر، متلازمة داون، وغيرها.

“لأننا نستطيع طباعة النسيج حسب التصميم، يمكننا الحصول على نظام محدد لدراسة كيفية عمل شبكة دماغنا البشري. يمكننا النظر بدقة إلى كيفية تواصل الخلايا العصبية مع بعضها تحت ظروف معينة لأننا نستطيع طباعة ما نريد بالضبط.”

نظرًا لأن الدماغ يعمل كشبكة، فإن المستوى العالي من الترابط سيكون حاسمًا في دعم تقدم البحث الأساسي.

القطعة المميزة هي أن هذه التقنية الجديدة للطباعة لا تتطلب أي معدات جديدة. يمكن تنفيذها باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد تجارية مكتبية، ويمكن تحليل الخلايا العصبية باستخدام منهجيات شائعة مثل تصوير الميكروسكوب والأقطاب الكهربائية، والتي هي بالفعل شائعة في مختبرات علم الأعصاب.

أسهم الطباعة الحيوية

1. BICO Group AB

استخدم فريق البروفيسور تشانغ طابعة Cellink لإجراء طباعة الأنسجة الدماغية.

في عام 2021، تم تغيير اسم Cellink إلى BICO Group، بعد استحواذها على Cytena في 2019 وScienion في 2020. لا يزال اسم Cellink هو العلامة التجارية لجزء الطباعة الحيوية من الأعمال.

الطباعة الحيوية تمثل في الربع الثالث من 2023 مبيعات بقيمة 16 مليون دولار، بالإضافة إلى 28 مليون دولار في علوم الأحياء و12 مليون دولار في الأتمتة الحيوية.

المصدر: BICO Group AB

على الرغم من عدم تفرده في المجال، فإن Cellink هو بوضوح مصنع متقدم لمعدات الطباعة الحيوية. إن إنجاز البروفيسور تشانغ باستخدام هذه الآلات يظهر إمكاناتها في أبحاث علم الأعصاب، وهو مجال لا يستخدم الطباعة الحيوية بشكل كبير حتى الآن.

على المدى الطويل، من المحتمل أن تتطور شركات الطباعة الحيوية من تقديم الأدوات للباحثين إلى أن تصبح مورِّدة لعلاجات الطباعة الحيوية لشركات الأدوية للمرضى. وهذا سيؤدي بدوره إلى تغيير كامل في عدد الطابعات الحيوية المستخدمة، والأهم من ذلك، حجم المستهلكات المباعة كل شهر.

هذه هي العملية نفسها التي حدثت لمصنعي معدات المختبرات الحيوية الأخرى، بما في ذلك آلات تسلسل الجينوم من PacBio (PACB) وIllumina (ILMN)، والتي تنتهي بتحقيق 80% من إيراداتها من مبيعات المستهلكات المتكررة.

2. Organovo

تستخدم تقنية Organovo المملوكة لها أنسجة بشرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد لتقليد الجوانب الرئيسية للأنسجة البشرية الحقيقية، بما في ذلك التركيب، والهندسة، والوظيفة، والمرض.

تم استخدام ذلك للعثور على جزيئات جديدة ذات إمكانات علاجية. من خلال التحقق أولاً من الجزيئات المحتملة في نموذج النسيج الثلاثي الأبعاد، تأمل الشركة في تقليل مخاطر الفشل في التجارب السريرية، بفضل نموذج خلوي في المختبر أكثر واقعية قبل أي اختبار على البشر.

تركّز مجموعة منتجات Organovo على أمراض الأمعاء الالتهابية (IFD) وتليف الكبد، مع برنامج واحد في المرحلة 2/3 من التجربة السريرية وآخر في المرحلة 1. من المتوقع الحصول على نتائج إثبات المفهوم للمرحلة 2a في النصف الثاني من عام 2025.

المصدر: Organovo

كان هناك 2.1 مليون حالة في الولايات المتحدة في عام 2022 و13 مليون حالة عالميًا من التهاب القولون التقرحي، وهو شكل من أشكال IFD، يمثل سوقًا بقيمة 6.6 مليار دولار. ومن المتوقع أن يستمر النمو بمعدل نمو سنوي مركب 6% حتى عام 2032، ليصل إلى سوق بقيمة 12 مليار دولار.

نظرًا لأن Organovo يستخدم محاكاة واقعية للأنسجة المعوية، مع بطانة مستقطبة وطبقة خلالية، فمن المحتمل أن يكون لديها تمثيل جيد في المختبر لكيفية تأثير دوائها على المريض.

المصدر: Organovo

هذا يجعل Organovo سهمًا مثيرًا للاهتمام للمستثمرين الذين يتطلعون إلى الاستفادة من الأيام الأولى للطباعة الحيوية واستخدامها كنموذج لشركات التكنولوجيا الحيوية لاكتشاف علاجات جديدة.