Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

एक ऐसे भविष्य की कल्पना करें जहाँ डॉक्टर क्षतिग्रस्त अंगों की मरम्मत करने या खोई हुई त्वचा को बदलने के लिए जीवित ऊतकों (टिश्यू) को प्रिंट कर सकें। यह दृष्टिकोण बायोप्रिंटिंग नामक एक तकनीक पर निर्भर करता है, जहाँ वैज्ञानिक विशेष मशीनों का उपयोग करके जीवित कोशिकाओं के मिश्रण वाले सहायक जेल के साथ तरल की सूक्ष्म धाराएं बाहर निकालते हैं। इसका लक्ष्य ऐसी संरचनाएं बनाना है जो मानव शरीर के जटिल ऊतकों की नकल करती हों। हालाँकि, इस मिश्रण को एक संकीली नोजल के माध्यम से बाहर निकालने की प्रक्रिया एक शक्तिशाली भौतिक बल पैदा करती है जिसे 'शियर स्ट्रेस' (shear stress) कहा जाता है। इस बल की तुलना टूथपेस्ट की ट्यूब को दबाने पर महसूस होने वाले दबाव से करें; आप इसे जितना तेज़ और ज़ोर से दबाएंगे, सामग्री दीवारों के विरुद्ध उतनी ही अधिक रगड़ी और खींची जाएगी। जीवित कोशिकाओं के लिए, जो नाजुक और कोमल होती हैं, यह रगड़ हानिकारक हो सकती है, जिससे वे मर सकती हैं या संरचना बनने के बाद उनके कार्य करने की क्षमता को नुकसान पहुँच सकता है। वैज्ञानिक यदि विश्वसनीय, जीवित ऊतक बनाने की आशा करते हैं, तो यह समझना कि ये कोशिकाएं वास्तव में कितना बल सहन कर सकती हैं, अत्यंत आवश्यक है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह मापने और अनुमान लगाने के लिए काम शुरू किया कि यह दबाव (squeezing force) दो अलग-अलग प्रकार की मानव कोशिकाओं—रक्त वाहिका कोशिकाओं (blood vessel cells) और स्तन ऊतक कोशिकाओं (breast tissue cells)—के बीच के प्रभाव को कैसे प्रभावित करता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने केवल कोशिकाओं को प्रिंट करके बेहतर की उम्मीद नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने एक पूर्ण प्रणाली बनाई ताकि यह देखा, गणना की जा सके और परीक्षण किया जा सके कि प्रिंटर के भीतर क्या होता है। सबसे पहले, उन्होंने कोशिकाओं को थामे रखने के लिए उपयोग किए जाने वाले गाढ़े, जेली जैसे पदार्थ का अध्ययन किया, जिसे जिलेटिन मेथैक्रॉयल (gelatin methacryloyl) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने इस सामग्री के प्रवाह को देखने के लिए इसे दो अलग-अलग सांद्रताओं (concentrations) और तापमानों पर परखा। उन्होंने पाया कि इस सामग्री के व्यवहार को गणितीय मॉडलों द्वारा वर्णित किया जा सकता है जो यह अनुमान लगाते हैं कि गाढ़े तरल पदार्थ कैसे चलते हैं, जिससे उन्हें वास्तविक कोशिका को छूने से पहले कंप्यूटर पर प्रिंटिंग प्रक्रिया का अनुकरण (simulate) करने की अनुमति मिलती है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके कंप्यूटर सिमुलेशन सटीक थे, शोधकर्ताओं ने बहते हुए जेल के भीतर सूक्ष्म कणों की गति को देखने के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग किया, जिससे यह पुष्टि हुई कि डिजिटल भविष्यवाणियां वास्तविक दुनिया की गति से मेल खाती हैं। इस विश्वसनीय मॉडल के साथ, उन्होंने अपना ध्यान स्वयं कोशिकाओं पर केंद्रित किया। उन्होंने दो प्रकार की कोशिकाओं के मिश्रण को विभिन्न दबावों और सांद्रताओं पर जेल में प्रिंट किया। परिणामों ने प्रिंटिंग की स्थितियों और कोशिका स्वास्थ्य के बीच एक जटिल संबंध को प्रकट किया। जब कोशिकाओं को कम तापमान पर एक कमजोर जेल में प्रिंट किया गया, तो तत्काल परिणाम के रूप में कोशिका मृत्यु में वृद्धि देखी गई। दिलचस्प बात यह है कि मजबूत जेल ने कमजोर जेल की तुलना में उच्च शियर स्ट्रेस स्तर प्रदर्शित किया, फिर भी इसने मरने वाली कोशिकाओं की वैसी तत्काल वृद्धि नहीं दिखाई।

हालाँकि, कहानी प्रिंटिंग रुकते ही समाप्त नहीं हुई। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि कोशिकाएं कैसे उबरती हैं, प्रिंट की गई संरचनाओं को एक दिन तक छोड़ दिया। उन्होंने पाया कि प्रिंटिंग प्रक्रिया से होने वाला कम स्तर का तनाव भी एक विलंबित प्रभाव (delayed effect) डालता है। जैसे-जैसे प्रिंटिंग के दौरान उपयोग किया गया दबाव बढ़ा, एक दिन के कल्चर के बाद मरने वाली कोशिकाओं की संख्या बढ़ती गई। यह सुझाव देता है कि कोशिकाएं प्रिंटिंग की भौतिक शक्तियों के प्रति उन तरीकों से संवेदनशील हैं जो तुरंत स्पष्ट नहीं होते हैं। यह अध्ययन इन प्रभावों की भविष्यवाणी करने के लिए एक ठोस विधि प्रदान करता है, जो यह दर्शाता है कि कंप्यूटर मॉडलिंग को सावधानीपूर्वक अवलोकन के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक जीवित ऊतक प्रिंटिंग के भविष्य को आकार देने वाले छिपे हुए बलों को बेहतर ढंग से समझ सकते हैं।