توسعه ریه مصنوعی جدید با قابلیت شبیهسازی تنفس و حرکت کیسههای هوایی
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) موفق به توسعه یک «ریه مصنوعی تنفسکننده» شدهاند که میتواند حرکت کیسههای هوایی یا آلوئولهای ریه انسان را شبیهسازی کند و همزمان امکان مشاهده واکنش سلولهای ریوی را فراهم آورد.
به گزارش مدرن مد به نقل از news-medica، این پژوهش به سرپرستی پروفسور سونگجون جونگ از گروه مهندسی علوم مواد POSTECH انجام شده است. ریه مصنوعی طراحیشده از یک غشای فوقنازک و انعطافپذیر تشکیل شده که با الهام از ساختار و حرکت یک حباب صابون ساخته شده است. این سامانه توانسته است حدود ۲۴۰ هزار چرخه تنفس را بهصورت پایدار پشت سر بگذارد و همچنین واکنش بافت ریوی به عفونت ویروس آنفلوانزا را شبیهسازی کند.
نتایج این مطالعه در ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۶ در نشریه معتبر Advanced Materials، از مجلات برجسته حوزه علوم و مهندسی مواد، منتشر شده است.
شبیهسازی حرکت طبیعی ریه
ریه انسان روزانه دهها هزار بار منبسط و منقبض میشود. هنگام دم، ریه گسترش مییابد و هنگام بازدم منقبض میشود. آلوئولها، کیسههای هوایی کوچک درون ریه، نیز همین حرکت را تکرار میکنند.
این حرکت صرفاً برای تبادل گازها اهمیت ندارد، بلکه بر رشد و عملکرد سلولهای ریوی نیز اثر میگذارد و یکی از سیگنالهای مهم در شکلگیری التهاب و پیشرفت بیماریهای ریوی محسوب میشود. از این رو، بازسازی این حرکت در محیط آزمایشگاهی میتواند برای بررسی عوامل ایجادکننده بیماریهای ریوی و ارزیابی اثربخشی داروها اهمیت زیادی داشته باشد.
با این حال، در روشهای متداول کشت سلولی، سلولها عمدتاً روی سطوحی صاف و بدون حرکت رشد میکنند و در نتیجه شرایط طبیعی ریه بهطور کامل بازسازی نمیشود. فناوری «ریه روی تراشه» نیز برای شبیهسازی ساختار و حرکت ریه توسعه یافته است، اما استفاده گسترده از ماده مصنوعی PDMS در این تراشهها، محدودیتهایی در بازسازی ویژگیهای واقعی بافت ریه ایجاد کرده است. از سوی دیگر، هیدروژلهای نرم هنگام تبدیل شدن به غشاهای بسیار نازک، مستعد پارگی هستند.
الهام از حباب صابون
تیم پژوهشی برای حل این مشکل از ساختار یک حباب صابون الهام گرفت. فیلم بسیار نازک یک حباب صابون، با وجود ضخامت اندک، بهآسانی پاره نمیشود و میتواند آزادانه حرکت کند.
پژوهشگران این اصل را در ساخت یک هیدروژل مرکب، متشکل از پلیمرها و مونومرها، به کار گرفتند. آنها با فروبردن قالبی با شکل موردنظر در محلول هیدروژل و سپس خارج کردن آن، غشایی فوقالعاده نازک درون قالب ایجاد کردند.
غشای تولیدشده از یک سو مانند آلوئولهای طبیعی ریه نرم و کشسان بود و از سوی دیگر استحکام کافی برای تحمل صدها هزار چرخه حرکت متوالی را داشت.
بازسازی مکانیزم طبیعی تنفس
پژوهشگران همچنین مکانیسم واقعی تنفس انسان را در سامانه جدید پیادهسازی کردند. در بدن انسان، هنگام دم، دیافراگم به سمت پایین حرکت میکند، فشار داخل ریه کاهش مییابد و هوا وارد ریه میشود.
بر همین اساس، تیم تحقیقاتی یک سامانه تحریک تنفسی طراحی کرد که بهطور مکرر تغییرات فشار مشابهی را در زیر غشای فوقنازک ایجاد میکند. در نتیجه، غشا همانند ریه طبیعی منبسط و منقبض شد و توانست حدود ۲۴۰ هزار چرخه تنفس را بدون از دست دادن عملکرد پایدار خود تحمل کند.
شبیهسازی ساختار سلولی آلوئولها
ساختار داخلی ریه مصنوعی نیز با هدف شباهت هرچه بیشتر به ریه واقعی طراحی شد. پژوهشگران با استفاده از فناوری چاپ زیستی سهبعدی، ساختاری سهلایه مشابه آلوئولهای ریه ایجاد کردند.
این ساختار از سه لایه شامل لایه سلولهای عروقی، لایه غشای پایه و لایه سلولهای اپیتلیال تشکیل شده است که بهصورت متوالی روی یکدیگر قرار گرفتهاند.
در این ریه مصنوعی، حرکت ناشی از تنفس به سلولها منتقل شد و حتی واکنش سلولها به عفونت ویروسی نیز شباهتهایی با واکنش ریه طبیعی نشان داد.
واکنش متفاوت ریه به ویروس آنفلوانزا
یکی از یافتههای مهم این پژوهش در آزمایش عفونت با ویروس آنفلوانزا به دست آمد. نتایج نشان داد که پاسخ التهابی و پاسخ ضدویروسی ریه میتواند تحت تأثیر حرکت تنفسی قرار گیرد؛ یافتهای که اهمیت شبیهسازی حرکت طبیعی ریه در مطالعات بیماریهای ریوی را برجسته میکند.
گامی تازه در تحقیقات دارویی و بیماریهای ریوی
پژوهشگران معتقدند این فناوری میتواند امکان بررسی واکنش ریه به داروها را در محیطی پویا و بسیار نزدیکتر به شرایط واقعی بدن فراهم کند؛ موضوعی که با کشت ساده سلولی یا آزمایشهای حیوانی بهتنهایی بهسادگی قابل بررسی نیست.
پروفسور سونگجون جونگ، سرپرست این پژوهش، اظهار کرد: «ریه مصنوعی تنفسکننده امکان تنظیم آزادانه سرعت و عمق تنفس را فراهم میکند و به این ترتیب میتوان شرایطی از ریه سالم تا طیف گستردهای از وضعیتهای بیماری را در آزمایشگاه بازسازی کرد.»
وی افزود که این فناوری میتواند چشمانداز توسعه داروهای جدید و تحقیقات مرتبط با بیماریهای ریوی را دگرگون کند.
این پژوهش با حمایت برنامه پژوهشگران میاندورهای بنیاد ملی پژوهش کره جنوبی و برنامه توسعه فناوری صنعتی زیستی وزارت تجارت، صنعت و انرژی کره جنوبی انجام شده است.
