เครื่องพิมพ์หลอดเลือดสามมิติ กับสีผสมอาหาร!

ผศ.ดร.ป๋วย อุ่นใจ
ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

แนวคิดในเรื่องการสร้างอะไหล่อวัยวะนั้นเกิดขึ้นมานานแล้ว แต่กระบวนการในการสร้างระบบเส้นเลือดที่ซับซ้อนในอวัยวะอย่างตับหรือปอดนั้น ยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทายความสามารถของเหล่านักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเนื้อเยื่ออยู่ตลอดเวลา

ตั้งแต่มีการสร้างเครื่องพิมพ์สามมิติขึ้นมา ความสนใจในการประยุกต์เอาเทคนิคการพิมพ์สามมิติมาใช้ในการพิมพ์อวัยวะก็มีอยู่ตลอดมา แต่ปัญหาที่แก้ยากก็คือการจัดการเรื่องความละเอียด

คำถามก็คือ “เป็นไปได้หรือไม่ที่เราจะใช้เครื่องพิมพ์สามมิติพิมพ์อวัยวะออกมา?”

ภาพหน้าปกวารสาร Science ฉบับวันที่ 3 พค 2562 แสดงภาพถุงลมจำลองจากการพิมพ์สามมิติ
(เครดิตภาพ: Dan Sazer, Jeff Fitlow, & Jordan Miller, Rice University)

ทีมวิจัยของ ดร. เคลลี สตีเวนส์ (Kelly R Stevens) จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน ซีแอตเทิล (University of Washington Seattle) และ ดร. จอร์แดน มิลเลอร์ (Jordan S Miller) มหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนากระบวนการพิมพ์ทางชีวภาพ (bioprinting) ที่ประยุกต์ใช้เทคนิคการพิมพ์สามมิติแบบโปรเจคชั่นสเตริโอลิโธกราฟี (Projection Stereolithography) มาใช้ในการพิมพ์ไฮโดรเจลเป็นโครงข่ายเส้นเลือดที่ซับซ้อนได้สำเร็จ พวกเขาตีพิมพ์ผลงานนี้ในวารสาร Science เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2562

เทคนิคการพิมพ์แบบโปรเจคชั่นสเตริโอลิโธกราฟีเป็นการพิมพ์โดยใช้แสงเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการแข็งตัวของโพลิเมอร์ในสารละลายไปทีละชั้น (เลเยอร์) จนกลายเป็นโครงสร้างสามมิติที่สมบูรณ์ โดยนักวิจัยจะสร้างโมเดลสามมิติขึ้นมาและจะฉายแสงลงไปบนสารละลายให้สายละลายแข็งตัวไปทีละชั้น

ภาพสามมิติของโครงสร้างถุงลมในปอด
(เครดิตภาพ: Dan Sazer, Jeff Fitlow, & Jordan Miller, Rice University)

ปัญหาคือเทคนิคนี้ไม่เคยถูกออกแบบมาเพื่อใช้กับการพิมพ์อวัยวะ สารเคมีแต่ละอย่างที่ใช้ก็ล้วนเป็นพิษกับร่างกายแทบทั้งสิ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกสารเคมีป้องกันแสงที่จะต้องใช้เพื่อกันแสงผ่านไปชั้นอื่นๆ พวกเขาจึงต้องการสารมาดูดซับแสงเพื่อกันไม่ให้แสงทะลุผ่านสารละลายเรซิ่นได้ เพื่อให้แต่ละชั้นพิมพ์ถูกพิมพ์ออกมาเป็นแค่ชั้นบางๆ และสามารถประกอบสร้างขึ้นมาเป็นโครงสร้างของโครงข่ายเส้นเลือดที่ซับซ้อนทั้งของถุงลมปอดและของถุงน้ำดีขึ้นมาได้อย่างรวดเร็ว

และนี่คือความท้าทายแรก จะหาสารอะไรที่เข้ากันได้ ไม่มีพิษภัยกับสิ่งมีชีวิต และละลายน้ำได้ดี ทีมวิจัยเจอสีผสมอาหารที่น่าจะตอบโจทย์ เขาจึงเลือกใช้สีผสมอาหารสีเหลืองอมส้ม เรียกว่า สีเหลืองเบอร์ห้า (yellow no.5) หรือว่าทาร์ทราซีน (tartrazine) ซึ่งปกติก็เป็นองค์ประกอบเพื่อแต่งสีให้กับอาหารและลูกกวาดที่คนทั่วไปกินกันเป็นปกติอยู่แล้ว จึงไม่น่ามีปัญหาในเรื่องของความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

“ผมรีบรุดวิ่งไปที่ซูเปอร์มาเก็ตและซื้อชุดคิตสำหรับแต่งสีอาหารและลูกกวาด เพื่อมาลุยทดลองต่อเลย” มิลเลอร์กล่าว “สีเหลืองมันเวิร์ค ทั้งทีมแทบจะกระโดดยินดีกันด้วยความลิงโลด เพราะไอเดียนี้ง่ายๆ และสามารถต่อยอดไปเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ไม่ยากเย็น” เพื่อพิสูจน์แนวคิด ทีมวิจัยของสตีเวนส์และมิลเลอร์ได้ทดลองออกแบบโครงข่ายเส้นเลือดหุ้มถุงลมปอด และทดลองส่งเซลล์แม็ดเลือดแดงเข้าไปอีกทั้งยังลองจำลองแบบการทำงานของถุงลมปอดคือทั้งหดและขยายและดูว่าโครงข่ายเส้นเลือดที่พิมพ์ออกมานั้นจะทนทานได้หรือไม่

ผลงานวิจัยของเขาเป็นที่น่าพึงพอใจ นอกจากจะอยู่รอดได้เป็นอย่างดีจากการยืดหดของถุงลม อีกทั้งการไหลของเลือดได้เป็นอย่างดี เซลล์เม็ดเลือดแดงสามารถดำรงอยู่ได้ แถมยังสามารถช่วยในการแลกเปลี่ยนก๊าซได้เหมือนกับคุณสมบัติของถุงลมปอดจริง ได้อีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น พวกเขายังเริ่มออกแบบวาล์วต่างๆ ในเส้นเลือดเพื่อกันเลือดไหลย้อนกลับเอาไว้ให้แล้วอีกด้วย

“ชัดเจนว่านี่เป็นหนึ่งก้าวกระโดดที่ทำให้เราสามารถสร้างโครงสร้างพิมพ์สามมิติที่มีขนาดเทียบเท่ากับเนื้อเยื่อจริงๆ ได้” แอนโทนี อตาลา ผู้อำนวยการ สถาบันเวชศาสตร์ฟื้นฟูเวกฟอเรสต์ (Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) กล่าว “และการที่เผยแพร่กระบวนการพิมพ์ชีวภาพเป็นแบบโอเพ่นซอร์ส (open source) จะยิ่งช่วยผลักดันเทคโนโลยีนี้ให้พัฒนาให้ไปไกลมากขึ้น และเร็วยิ่งขึ้นอย่างมาก” แอนโทนีเผยว่าเขามีแผนที่จะทดลองใช้เทคนิคการพิมพ์โครงสร้างสามมิตินี้กับโครงร่างอวัยวะต่างๆ มากมายที่เขาได้เคยออกแบบไว้

นอกจากจะปล่อยข้อมูลออกเป็นโอเพ่นซอร์สแล้วนั้น มิลเลอร์อยากให้โมเดลเครื่องมือของเขานั้นสามารถทำเป็น DIY ได้ เพราะนั่นจะหมายความว่าอาจจะมีโมเดลอวัยวะที่น่าสนใจลองเอามาพิมพ์สามมิติออกมาเป็นชิ้นส่วนอวัยวะที่อาจจะมีแนวโน้มอาจจะเอาไปใช้งานได้จริงก็เป็นได้

และสำหรับพวกขี้เกียจ ยังได้ก่อตั้ง บริษัท “โวลุมเมตริกซ์ไบโอ (VolumetricBio)” ซึ่งสปินออฟ (spin off) ออกมาจากมหาวิทยาลัย เพื่อขายวัสดุ อุปกรณ์ต่างๆ สารเคมีที่จำเป็น รวมทั้งเครื่องพิมพ์สามมิติแบบโปรเจคชั่นสเตริโอลิโธกราฟี ที่สามารถนำไปใช้พิมพ์โครงข่ายเส้นเลือดเพื่อจำลองแบบการส่งผ่านเลือดในอวัยวะได้เลยในทันทีอีกด้วย

แต่แม้ว่าเทคโนโลยีจะดูหวือหวาน่าตื่นเต้น แต่ทว่า เทคนิคก็ยังคงต้องผ่านการทดสอบอีกมาก ว่าจะมีผลข้างเคียงกระทบอย่างไรบ้างกับผู้ได้รับอวัยวะ แล้วมันสามารถทำงานได้เหมือนอวัยวะจริงๆ หรือเปล่า แล้วเซลล์ที่ฟีดเข้าไปนั้นจะรอดกี่เปอร์เซ็นต์และสามารถทำงานได้เหมือนอวัยวะจริงหรือไม่

คงต้องรอดูต่อไปครับว่าจะเกิดอะไรขึ้นต่อไป ไม่แน่นะ อนาคตคุณหมออาจจะเปิดแคตตาล๊อกโมเดลอวัยวะ เลือกๆ จิ้มๆ มาแล้วกดสั่งพิมพ์ตามต้องการก็เป็นได้…

ใครจะรู้ว่าสักวันอาจจะมีคนกดพิมพ์ถุงลมปอดสามมิติเอาไปไว้สู้โควิด-19 ก็ได้!

คลิปสัมภาษณ์ Jordan Miller ในเรื่องของเครื่องพิมพ์สามมิติและการสร้างถุงลมจำลอง