چاپ سه بعدی زیستی و میکروارگانیسم ها
دکتر منصور بیات، استاد تمام و عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی
اشکان حاج جعفری، پژوهشگر آزاد
میکروارگانیسم‌ها موجوداتی هستند که به طور معمول با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند و شامل باکتریها، ویروس‌ها، قارچ‌ها و پروتوزوآها می‌باشند. این موجودات نقش حیاتی در تعادل زیستی زمین دارند؛ برخی از آن‌ها به عنوان عوامل بیماری‌زا عمل می‌کنند و برخی دیگر نقش‌های مفیدی در گوارش، تولید آنتی‌بیوتیک، بازیافت مواد و تعادل زیست‌محیطی دارند.
در زمینه پزشکی، شناخت دقیق میکروارگانیسم‌ها برای تشخیص و درمان بیماری‌ها بسیار حیاتی است. به ویژه در بیماری‌های عفونی، شناسایی دقیق عامل بیماری‌زا می‌تواند روند درمان را تسریع و اثربخش‌تر کند. اما مسئله‌ای که سال‌ها وجود داشته، محدودیت در روش‌های سنتی تشخیص این موجودات ریز و پیچیده بوده است.
روش‌های سنتی تشخیص باکتریها، شامل آزمایش مستقیم، کشت، تست‌های بیوشیمیایی، و تکنیک‌هایی مانند الایزا (ELISA) و PCR هستند. این روش‌ها گرچه تا حد زیادی مؤثر بودند، اما با محدودیت‌هایی مانند زمان‌بر بودن، نیاز به محیط‌های خاص، خطای انسانی و یا تجهیزات وابسته به کیفیت نمونه‌گیری، شرایط آزمایشگاه و دقت اپراتور همراه است.
با پیشرفت بیماری‌های مقاوم به دارو و ظهور عفونت‌های نوظهور، نیاز به روش‌های سریع‌تر، دقیق‌تر و قابل شخصی‌سازی احساس می‌شد. در نتیجه، محققان به سمت فناوری‌های نوینی چون چاپ سه‌بعدی زیستی (3D Bioprinting) حرکت کردند.
در دنیای امروز که با بحران‌هایی چون پاندمی‌ها، مقاومت‌های آنتی‌بیوتیکی و بیماری‌های نوپدید مواجه هستیم، روش‌های تشخیصی باید نه‌تنها دقیق، بلکه سریع، مقرون‌به‌صرفه، قابل حمل و سازگار با شرایط مختلف جغرافیایی باشند.
در این راستا، فناوری‌های جدید مانند میکروفلوییدیک‌ها، نانوسنسورها و به ویژه چاپ زیستی سه‌بعدی به عنوان راهکارهای بالقوه و امیدبخش مطرح شده‌اند. این فناوری‌ها امکان توسعه پلتفرم‌های دقیق‌تر برای مدل‌سازی میکروارگانیسم‌ها، شبیه‌سازی عفونت‌ها و تشخیص بیماری‌ها را فراهم می‌کنند.
چاپ سه‌بعدی زیستی (3D Bioprinting) یک فناوری نوظهور در حوزه پزشکی بازساختی، زیست‌فناوری و میکروبیولوژی است که با بهره‌گیری از مواد زیست‌سازگار و سلول‌های زنده، امکان ساخت ساختارهای سه‌بعدی شبیه به بافت‌ها و ارگان‌های انسانی را فراهم می‌سازد. برخلاف چاپگرهای سه‌بعدی سنتی که از مواد سخت مانند پلاستیک یا فلز استفاده می‌کنند، چاپگرهای زیستی از جوهرهای زیستی (Bioinks) بهره می‌گیرند؛ این جوهرها ترکیبی از سلول‌های زنده، هیدروژل‌ها، فاکتورهای رشد و سایر مواد زیستی هستند که قابلیت زیست‌پذیری و بازسازی درون‌بدنی را دارند.
در زمینه بیماری‌های عفونی و تشخیص میکروارگانیسم‌ها، Bioprinting 3D این امکان را فراهم کرده است که مدل‌های سه‌بعدی زنده‌ای از بافت‌های انسانی ایجاد شود که به صورت هدفمند با عوامل میکروبی خاص آلوده شده‌اند. برخلاف مدل‌های دوبعدی قدیمی که در ظروف کشت معمولی انجام می‌شد، مدل‌های زیستی سه‌بعدی می‌توانند شرایط واقعی‌تری از محیط درون‌بدن مانند نفوذ میکروارگانیسم به عمق بافت، واکنش‌های ایمنی بدن و مقاومت به دارو را شبیه‌سازی کنند. این امر دقت و کاربردپذیری تحقیقات آزمایشگاهی را به طرز چشمگیری افزایش داده است.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای این تکنولوژی در بیماری‌های عفونی، ایجاد پلتفرم‌هایی برای غربالگری داروهای ضد میکروبی است. با استفاده از مدل‌های Bioprinted آلوده به باکتری یا ویروس، محققان می‌توانند اثر داروهای مختلف را در شرایط نزدیک به واقعیت مورد ارزیابی قرار دهند. این پلتفرم‌ها نه تنها هزینه‌ها و زمان آزمایش‌های بالینی را کاهش می‌دهند، بلکه امکان آزمایش ترکیبات دارویی جدید یا ترکیب‌های چندگانه را نیز فراهم می‌کنند. از سوی دیگر، 3D Bioprinting این امکان را فراهم می‌کند که پاسخ‌های ایمنی بدن به میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های کنترل‌شده بررسی شوند. برای مثال، سلول‌های ایمنی مانند ماکروفاژها و سلول‌های T می‌توانند در کنار سلول‌های بافتی چاپ شوند تا تعامل آن‌ها با پاتوژن‌ها مورد مطالعه قرار گیرد. این مدل‌ها به‌ویژه در فهم چگونگی عملکرد سیستم ایمنی در برابر پاتوژن‌های مقاوم و ایجاد ایمنی تطبیقی کاربرد دارند.
علاوه بر این، این فناوری به ما اجازه می‌دهد تا رفتار میکروارگانیسم‌ها در شرایط خاص فیزیولوژیک مانند سطح اکسیژن پایین، حضور ترکیبات زیستی یا شرایط pH مختلف را مورد بررسی قرار دهیم. برای مثال، برخی باکتریها در شرایط سه‌بعدی رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند که در مدل‌های کلاسیک دوبعدی قابل تشخیص نیست. چنین تفاوت‌هایی نقش مهمی در درک عفونت‌های مزمن مانند عفونت‌های ناشی از بیوفیلم‌ها ایفا می‌کنند.
برخی از تحقیقات انجام شده توسط این تکنولوژی در سال های اخیر به صورت زیر می باشد:
۱- تولید سیستم‌های حسگر زیستی چاپی (Printed Biosensors)
چاپگرهای سه‌بعدی می‌توانند سنسورهای زیستی پیچیده‌ای تولید کنند که حاوی گیرنده‌هایی برای شناسایی دقیق باکتریها یا ویروس‌های خاص هستند. برای مثال، از نانوذرات طلا یا نقره برای افزایش حساسیت در تشخیص باکتری‌های گرم‌منفی یا ویروس‌هایی مثل ویروس کووید، SARS-CoV-2، استفاده شده است.
۲- مدل‌سازی عفونت‌ها در بسترهای سه‌بعدی
مدل‌های زیستی چاپ‌شده می‌توانند با سلول‌های انسانی و باکتریایی بارگذاری شوند تا شرایط واقعی عفونت را شبیه‌سازی کنند. برای مثال، استفاده از هیدروژل‌های حاوی باکتری برای ایجاد بیوفیلم و بررسی پاسخ سیستم ایمنی یا اثر داروهای آنتی‌بیوتیک. این مدل‌ها امکان مطالعه عفونت‌هایی مثل عفونت‌های ادراری یا تنفسی را در شرایط مشابه با بدن انسان فراهم می‌سازند.
۳- توسعه میکروفلوییدیک‌های چاپی برای تشخیص سریع
میکروفلوییدیک‌ها، سیستم‌هایی هستند که جریان‌های مایعات در مقیاس میکرومتری را هدایت می‌کنند. ترکیب این سیستم‌ها با فناوری چاپ سه‌بعدی باعث ایجاد کیت‌های تشخیصی سریع و قابل حمل می‌شود. در برخی مطالعات از میکروفلوییدیک‌های زیستی برای تشخیص سریع E. coli، S. aureus و حتی برخی قارچ‌ها استفاده شده است.
۴- ساخت آزمایشگاه روی تراشه (Lab-on-a-Chip)
این تکنولوژی امکان انجام چندین مرحله از فرایند تشخیص (مثل استخراج، شناسایی و آنالیز) را روی یک تراشه کوچک فراهم می‌سازد. استفاده از چاپگر سه‌بعدی برای ساخت این تراشه‌ها هزینه تولید را کاهش داده و طراحی آن‌ها را قابل شخصی‌سازی می‌کند. در مقاله به استفاده از بایومتریال‌های نرم و سازگار با بدن اشاره شده که به کاربرد آن‌ها در محیط‌های زنده و حساس کمک می‌کند.
فناوری چاپ سه‌بعدی زیستی به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین و نوآورانه‌ترین ابزارها در حوزه پزشکی و تشخیص بیماری‌ها شناخته می‌شود. از مدل‌سازی سلولی گرفته تا طراحی حسگرهای زیستی و سیستم‌های تشخیص سریع، این فناوری پتانسیل بالایی برای تحول در تشخیص بیماری‌های میکروبی دارد.
سرمایه‌گذاری در این حوزه نه‌تنها منجر به افزایش سرعت و دقت تشخیص بیماری‌ها می‌شود، بلکه راه را برای توسعه درمان‌های شخصی‌سازی‌شده، مدیریت بهتر بیماری‌های مقاوم به دارو و کنترل اپیدمی‌ها هموار می‌سازد. کشورهایی که زودتر در این زمینه وارد عمل شوند، در آینده‌ای نزدیک به مرجع جهانی در تکنولوژی تشخیص، درمان بیماری‌های عفونی تبدیل خواهند شد.
