นักวิทย์ฯ สร้างเนื้อเยื่อ 4 มิติ 'เปลี่ยนรูปเองได้' เหมือนอวัยวะจริง!

นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในการพัฒนาวิธี "พิมพ์ชีวภาพ 4 มิติ" (4D bioprinting ) รูปแบบใหม่ ที่สามารถสร้างเนื้อเยื่อซึ่งเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เองหลังการพิมพ์ เลียนแบบกระบวนการก่อกำเนิดอวัยวะตามธรรมชาติในตัวอ่อนได้อย่างน่าทึ่ง ความก้าวหน้านี้ช่วยให้เนื้อเยื่อหัวใจที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการมีความแข็งแรงและโครงสร้างที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

ทำไมการพิมพ์เนื้อเยื่อแบบเดิมยังไปไม่ถึงไหน? 

โดยปกติแล้ว ในระยะแรกเริ่มของชีวิต อวัยวะต่างๆ ไม่ได้ปรากฏขึ้นมาในรูปทรงที่สมบูรณ์แบบทันที แต่จะค่อยๆ ก่อร่างสร้างตัวผ่านกระบวนการที่ซับซ้อน ทั้งการโค้งงอ การบิดตัว และการพับตัวอย่างมีแบบแผน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการจัดเรียงเซลล์ให้กลายเป็นโครงสร้างที่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ที่ผ่านมาความพยายามในการพิมพ์ชีวภาพเพื่อสร้างอวัยวะ มักข้ามขั้นตอนสำคัญไป นักวิทยาศาสตร์มักพิมพ์เนื้อเยื่อให้ออกมาเป็นรูปทรงสุดท้ายเลย โดยหวังว่ามันจะทำงานได้เหมือนอวัยวะตามธรรมชาติ แต่แนวทางนี้กลับล้มเหลว เพราะไม่ได้เลียนแบบกระบวนการสำคัญที่เรียกว่า “active shaping” คือการที่เนื้อเยื่อค่อย ๆ เปลี่ยนรูปร่างไปเองอย่างมีทิศทาง กระบวนการนี้เกิดจากการทำงานร่วมกันของเซลล์ภายใน เหมือนกับที่เกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการสร้างอวัยวะจริง

นี่คือเหตุผลที่การค้นพบล่าสุดของทีมนักวิจัยจาก University of Galway ประเทศไอร์แลนด์ ถือว่าสำคัญอย่างมาก พวกเขาพัฒนาวิธีการพิมพ์ชีวภาพแบบ 4 มิติ ที่ทำให้เนื้อเยื่อสามารถเปลี่ยนรูปร่างของตัวเองได้หลังการพิมพ์ ซึ่งเลียนแบบกระบวนการตามธรรมชาติของร่างกาย ที่เนื้อเยื่อจริงจะค่อย ๆ ก่อตัวและปรับรูปร่างในระหว่างพัฒนา การค้นพบนี้นับเป็นอีกก้าวสำคัญที่ทำให้วงการวิทยาศาสตร์เข้าใกล้การสร้างอวัยวะที่ใช้งานได้จริงในห้องทดลองมากขึ้น

เทคนิคใหม่ "พิมพ์แล้วปล่อยให้โตเอง" ทำได้อย่างไร?

ทีมวิจัยซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Andrew Daly ได้พัฒนากระบวนการที่เรียกว่า "การพิมพ์ชีวภาพแบบฝัง" (embedded bioprinting) โดยพวกเขาจะพิมพ์เนื้อเยื่อลงในวัสดุคล้ายเยลลี่ ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงสร้างพยุงในขณะที่เนื้อเยื่อกำลังก่อรูป "หมึกชีวภาพ" (bioink) ที่ใช้ประกอบด้วยคอลลาเจนและกรดไฮยาลูโรนิก ซึ่งเป็นสารที่ช่วยในการเจริญเติบโตและการยึดเกาะของเซลล์ เยลลี่ที่ใช้รองรับจะช่วยพยุงเนื้อเยื่อไว้ ทำให้มันสามารถเคลื่อนไหวและเปลี่ยนรูปร่างได้โดยไม่เสียรูป

สิ่งที่ทำให้กระบวนการนี้โดดเด่นคือ การเคลื่อนไหวของเนื้อเยื่อไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่เนื้อเยื่อที่พิมพ์ขึ้นจะสามารถปรับเปลี่ยนรูปทรงไปสู่รูปแบบที่เฉพาะเจาะจงได้ โดยอาศัยแรงที่เกิดจากเซลล์ภายในตัวมันเอง นักวิทยาศาสตร์สามารถ "ตั้งโปรแกรม" การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้โดยการปรับเปลี่ยนการออกแบบการพิมพ์เริ่มต้น ชนิดของเซลล์ที่ใช้ ความแข็งของวัสดุ หรือแม้แต่ความนุ่มของเยลลี่ที่รองรับ 

"การเปลี่ยนรูปร่าง" ของเนื้อเยื่อสำคัญอย่างไร?

ตอนที่หัวใจเริ่มก่อตัว มันยังไม่ได้มีรูปร่างซับซ้อนแบบที่เราเห็นกัน แต่เริ่มจากท่อตรงๆ ก่อนจะค่อยๆ บิดและพับตัวจนได้รูปทรงสมบูรณ์ กระบวนการนี้สำคัญมาก เพราะนอกจากจะเป็นการสร้างรูปร่างของหัวใจแล้ว ยังช่วยให้เซลล์เรียงตัวและทำหน้าที่ได้อย่างถูกต้องด้วย

ทีมวิจัยจาก Galway ตระหนักดีว่าการพยายามข้ามขั้นตอนนี้ในการพิมพ์ชีวภาพ อาจเป็นสาเหตุที่ทำให้เนื้อเยื่อหัวใจที่พิมพ์ขึ้นทำงานได้ไม่ดีเท่าที่ควร แม้ว่ามันจะสามารถเต้นได้ แต่ความสามารถในการบีบตัวของเนื้อเยื่อที่พิมพ์ขึ้น ยังน้อยกว่าหัวใจของผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพแข็งแรง

เราเห็นว่าการปล่อยให้เนื้อเยื่อปรับรูปร่างตัวเองได้ ช่วยให้เนื้อเยื่อหัวใจที่พิมพ์ออกมามีลักษณะใกล้เคียงของจริงมากขึ้น ทั้งในแง่โครงสร้างและการทำงาน พูดง่ายๆ คือ เนื้อเยื่อที่พิมพ์เริ่มแสดงพฤติกรรมเหมือนเนื้อเยื่อหัวใจจริงมากขึ้น Ankita Pramanick นักศึกษาปริญญาเอกและผู้เขียนหลักของงานวิจัยกล่าว

การเปลี่ยนรูปร่างนี้ไม่ได้ทำให้เนื้อเยื่อดูเหมือนหัวใจจริงเท่านั้น แต่ยังช่วยให้เซลล์เรียงตัวกันอย่างถูกต้อง ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการบีบตัวของกล้ามเนื้อ การเคลื่อนไหวนี้ชี้นำการจัดเรียงตัวของทั้งเซลล์และวัสดุรองรับโดยรอบ ทำให้เนื้อเยื่อสามารถเต้นได้แรงขึ้นและสม่ำเสมอมากขึ้น

"ตั้งโปรแกรม" ให้เนื้อเยื่อเคลื่อนไหวตามต้องการ

เพื่อทำความเข้าใจและควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเนื้อเยื่อเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ขึ้น เครื่องมือนี้สามารถทำนายได้ว่าเนื้อเยื่อที่พิมพ์ขึ้นจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป โดยอ้างอิงจากเงื่อนไขเริ่มต้น แบบจำลองนี้ครอบคลุมทั้งเซลล์และโครงสร้างเนื้อเยื่อทั้งหมด ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบการพิมพ์ที่เนื้อเยื่อจะเปลี่ยนรูปไปสู่รูปทรงที่ต้องการได้

ศาสตราจารย์ Daly อธิบายถึงศักยภาพของโครงการนี้ว่า "งานวิจัยของเราพบว่า ถ้าให้เนื้อเยื่อหัวใจที่พิมพ์ชีวภาพสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เอง มันจะเริ่มเต้นแรงขึ้นและเร็วขึ้น ซึ่งเป็นสัญญาณว่าเนื้อเยื่อเริ่มมีความสมบูรณ์มากขึ้น เพราะหนึ่งในปัญหาใหญ่ของวงการนคือ เนื้อเยื่อที่พิมพ์ออกมายังไม่พัฒนาเต็มที่ การได้เห็นพัฒนาการแบบนี้จึงถือว่าน่าตื่นเต้นมากสำหรับเราเลยค่ะ”

อนาคตของการ "สร้างอวัยวะ" และความท้าทายที่รออยู่

กระบวนการใหม่นี้เปิดทางไปสู่ความเป็นไปได้อีกมากมาย เพราะมันช่วยให้นักวิจัยเข้าใกล้เป้าหมายของการสร้างอวัยวะในห้องแล็บที่ทำงานได้เหมือนของจริงมากขึ้น ซึ่งอาจเปลี่ยนวิธีการศึกษาความเจ็บป่วย การทดสอบยาตัวใหม่ หรือแม้แต่การสร้างอวัยวะเพื่อใช้แทนของเดิมที่เสียหาย

แม้จะเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ แต่งานนี้ก็ยังมีอีกหลายอุปสรรคอยู่อีกมา ศาสตราจารย์ Daly ยอมรับว่า “เรายังห่างไกลจากการพิมพ์เนื้อเยื่อที่สามารถทำงานได้จริงและนำไปปลูกถ่ายในมนุษย์ได้” หนึ่งในความท้าทายหลักคือการเพิ่มขนาดของเนื้อเยื่อให้ใกล้เคียงกับอวัยวะจริง ซึ่งจำเป็นต้องมีระบบหลอดเลือดที่ซับซ้อน และการพิมพ์หลอดเลือดนั้นก็ยังเป็นเรื่องที่ท้าทายมากในตอนนี้

ตอนนี้ทีมของเขากำลังเดินหน้าต่อยอดงานวิจัยนี้ภายใต้โครงการของ European Research Council โดยมีเป้าหมายเพื่อนำเทคนิคการเปลี่ยนรูปร่างนี้ไปใช้กับอวัยวะอื่น ๆ และศึกษาว่าจะสามารถชี้นำให้เนื้อเยื่อก่อตัวอย่างเป็นธรรมชาติได้อย่างไร

การค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์มองการสร้างเนื้อเยื่อในแบบใหม่ จากเดิมที่พยายามพิมพ์อวัยวะสำเร็จรูป ตอนนี้พวกเขากำลังมุ่งเน้นไปที่การพิมพ์ "รากฐานของเนื้อเยื่อ" หรือจุดเริ่มต้นที่ช่วยให้เนื้อเยื่อเติบโตและพัฒนาเองตามธรรมชาติเหมือนในครรภ์มารดา ความสามารถในการควบคุมและทำนายการเปลี่ยนรูปร่างนี้ ทำให้เข้าใกล้การพิมพ์อวัยวะที่ไม่เพียงแค่ดูเหมือนจริง แต่ยังทำงานได้เหมือนของจริงด้วย

อ้างอิง: thebrighterside