4- حوزه‌ی سوم، مبانی مهندسی سلول و بافت

4- حوزه‌ی سوم، مبانی مهندسی سلول و بافت

مهندسی سلول و بافت شامل مطالعه و توسعه‌ی رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت یا عضو، به منظور جایگزینی یا ترمیم بخش‌های از دست رفته‌ی بدن است. فناوری مهندسی بافت مستلزم رشد شبکه‌های پیچیده و سه بعدی سلولی برای دستیابی به بافت یا عضو موردنظر است.

بر اساس تعریف دستیابی به یک بافت به شیوه‌های مهندسی نیازمند داربستی با جنس و ساختار فیزیکی ویژه است که امکان چسبندگی سلول‌ها به آن، مهاجرت سلولی، تبادلات سلولی، تکثیر سلولی، تمایز، رشد و در کل همه‌ی وظایف و ویژگی‌های سلولی برای داشتن یک بافت سالم فراهم آید.

این حوزه در واقع حاصل ارتباط تنگاتنگ علم زیست پزشکی، مهندسی و طراحی است.

دانشمندان از سال‌ها پیش قادر به کشت سلول‌ها در خارج از بدن بودند اما فناوری رشد شبکه‌های سه بعدی سلولی، با هدف جایگزینی آن به جای بافت آسیب دیده، اخیراً میسر شده‌است.

4-1 تاریخچه‌ی مهندسی بافت

اولین بار در سال ۱۹۰۰ الکسی کارل[1] واژه‌ی مهندسی بافت را مطرح نمود. او به همراه لیندربرگ در انستیتوی مطالعاتی در نیویوک با هدف نگهداری بافت‌های جدید در شرایط آزمایشگاهی و جایگزینی آن‌ها در بدن موجود زنده آزمایش‌هایی را آغاز نمود. اولین تلاش در حوزه‌ی مهندسی بافت  در دهه‌ی 1970 رخ داد که حاصل دست‌رنج یک جراح ارتوپد کودکان بود. آزمایشات او با هدف تولید بافت غضروفی جدید با استفاده سلول‌های اولیه‌ی غضروفی نشئت گرفته از خارهای استخوانی صورت گرفت. وی از موش‌های نود به عنوان میزبان برای این سلول‌ها کمک گرفت.

گرچه آزمایشات او چندان موفقیت آمیز نبود اما در نهایت به این نتیجه رسید که با به کارگیری مواد نوین زیست سازگار، داشتن سلول‌های زنده و همچنین ساختار داربستی مناسب می توان بافتی جدید تولید کرد. سال‌ها بعد جمعی از پزشکان بیمارستان ماساچوست با همکاری یکدیگر مطالعاتی چه در سطح آزمایشگاهی و چه بر روی انسان به انجام رساندند. تلاش آن‌ها تولید بافت پوست مهندسی شده با استفاده از ماتریکس کلاژنی به منظور کمک به رشد سلول‌های اولیه‌ی پوست بود که در نهایت روی یک بیمار نیز آزمایش شد. از آن پس به تدریج مهندسی بافت به عنوان یک زمینه یا شاخه جدیدی از علم شروع به گسترش نمود.

[1] Alexie Carl

در این تصویر، بافت پوست مصنوعی را می‌بینید که با هدف ترمیم پوست آسیب‌دیده در اثر سوختگی‌ یا جراحات شدید، به فرد پیوند زده می‌شود.

می‌شود.

4-1-1 پروژه موش گوش ‌برپشت (نماد مهندسی بافت)

در آگوست ۱۹۹۷ دکتر چالرز وکانتی [1]از بیمارستان ماساچوست بوستون، داربستی به شکل گوش انسان ساخت. او ابتدا سلول‌‌های غضروف (کندروسیت) گاو را روی آن داربست کشت داد و سپس آن را به یک موش آزمایشگاهی پیوند زد. پیوند موفقیت‌آمیز بود، به‌طوری که پس از مدتی گوش جزو بافت‌های بدن موش شد و به هیچ عنوان توسط سیستم ایمنی بدن موش پس زده نشد.

البته این گوش هرگز به انسان پیوند زده نشد، زیرا از سلول‌‌های غضروف گاو تهیه شده بود و پیش‌بینی می‌شد که توسط سیستم ایمنی انسان بیگانه شناسایی شده و پس زده شود.

سال‌ها بعد فردی با نوعی بیماری نادر به‌نام سندرم ‌لهستان به‌ دنیا آمد که فاقد استخوان در نیمه‌ی چپ قفسه‌ی سینه‌اش بود. با این شرایط، اندام‌‌های نیمه چپ بدن او نظیر شش و قلب با قفسه سینه محافظت نمی‌شدند؛ دکتر وکانتی و برادرش از فناوری مشابه در تجربه موشِ گوش ‌برپشت برای ایجاد غضروف دنده‌‌ها در نجات جان این کودک استفاده کردند. پس از گذشت یک سال قفسه سینه او با ظاهر طبیعی حاصل شد و به عنوان یکی از پیوند‌های موفقیت آمیز مهندسی بافت در یاد‌ها ماند.

[1] Charles Vacanti

موشی که در تصویر می‌بینید، موش برهنه[1] نامیده می‌شود که در پیوند‌های آزمایشی، مانند آزمایشی که وکانتی انجام داد، مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی این موش‌ها این است که دارای تقص در سیستم ایمنی خود هستند؛ بنابراین برای انجام پیوند مناسب‌ترند و احتمال پس زدن پیوند کمتر است.

[1] nude mouse

 

4-2 مهندسی بافت چه‌گونه انجام می شود؟

برای آشنایی با چگونگی فرایند تولید یک بافت مهندسی شده بهتر است ابتدا شناخت مختصری از بافت داشته باشیم.

بدن انسان در اولین سطح از واحدهای زنده و مستقلی به نام سلول ساخته شده است، اجتماع سلول‌‌ها بافت‌‌ها را تشکیل می‌دهند، مجموع چند بافت یک اندام را می‌سازد و نهایتاً چند اندام یک دستگاه را به‌وجود می‌آورند و بدن مجموعه‌ای از دستگاه‌‌هاست.

نقطه‌ی آغاز مهندسی بافت، دستیابی به سلول‌های بدن شخص است. بدین ترتیب احتمال پس زدن پیوند و واکنش سیستم ایمنی نسبت به بافت تولید‌شده به روش مهندسی بافت، کمتر می‌شود.

سلول‌‌ها در ریزمحیطی قرار گرفته‌اند که در مقیاس کوچک‌تر از آن عملکرد بافت مشاهده نمی‌شود و اگر بخواهیم شرایط محیط زندگی سلول در بدن را بشناسیم باید درک صحیحی از این زیستگاه سلول پیدا کنیم و این تمام مفهوم مهندسی بافت است؛ تقلید کردن ریزمحیط طبیعی سلول با تمام پیچیدگی‌‌هایش توسط تکنیک‌‌های مهندسی.

ریزمحیط یا همان محل زندگی سلول شامل هر گونه مولکول، سلول و پیام هایی که است که اطراف سلول را دربرگرفته‌اند. در این میان دو عامل مهم بیشتر از همه شناخته شده‌اند و توجه عمده محققان را به خود جلب کرده‌اند. یکی از این دو، بستری است که سلول روی آن قرار دارد، به آن چسبیده و اتکا دارد. این بستر را ماتریس برون سلولی [1]می‌نامند که به‌طور عمده از پروتئین‌‌ها، پروتئوگلیکان‌ها و پلی‌ساکارید‌‌ها ساخته شده است. دومین عاملی که در تعیین بسیاری از رفتارهای حیاتی سلول نقش دارد، ‌‌مولکول‌‌های زیستی فعالی هستند که در محیط زیست اطراف سلول به حالت محلول وجود دارند. این مولکول‌ها سیگنال‌‌هایی به مرکز فرماندهی سلول (هسته) ارسال می کنند و از این طریق رفتار سلول را تحت کنترل دارند؛ شامل پروتئین‌‌های کوچکی مانند فاکتورهای رشد و سایتوکاین‌ها، استروئیدها و هورمون‌‌ها . از این میان، فاکتورهای رشد از همه مهم‌ترند و عمده تحقیقات بر آن‌ها متمرکز شده است. پس تا اینجا دانستیم که دو عنصر اساسی و نام آشنا در ریزمحیط سلول،  ECM و فاکتورهای رشد هستند و بنابراین، برای تقلید ریز محیط باید این دو عنصر را به خوبی شناخته و سعی در شبیه‌سازی این محیط برای سلول کنیم.

[1] Extracellular Matrix (ECM) 

ساختار ماتریکس خارج سلولی در یک بافت که شامل، پروتئوگلیکان‌ها، پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و یک سری مولکول‌های دیگر است.

 

4-3  داربست[1] چیست و چه اهمیتی دارد؟

اولین قدم در مهندسی بافت آن است که بستری مشابه با ECM  طبیعی سلول بسازیم که سلول روی آن احساس آرامش کند، طوری که انگار دقیقاً روی همان بستر طبیعی خود قرار گرفته است. در واقع باید سلول را فریب دهیم تا محیط را بیگانه نداند و فعالیت طبیعی خود را به درستی انجام دهد. پس اولین نکته‌ای که در ساختن بستر باید رعایت کنیم آن است که جنس ماده سازنده آن کاملاً زیست‌ سازگار باشد و برای سلول سمی و مضر نباشد . ايده اي که درپس مهندسي بافت قرار دارد ساخت دو نوع اتوگرافت (بافت مهندسی شده) است، يکي با رشد دادن سلول‌هاي خود شخص در محيط آزمايشگاه که بر روي يک داربست انجام می‌شود و ديگري با کاشت يک داربست غيرسلولي در داخل بدن تا سلول‌هاي بدن بيمار، بافت آسيب ديده را با هدايت داربست ترميم نمايند. درهر دو مورد، داربست بايد همزمان با رشد بافت تخريب شود، بنابراين پس از تکامل و رشد بافت، داربست ديگر وجود نخواهد داشت و بافت تازه توليد شده، مي تواند مانند بافت از دست رفته عمل کند.

[1] scaffold

چگونگی تهیه‌ی داربست با ماهیت ماتریکس خارج سلولی

  1. -تهیه‌ی قالب
  2. قرار دادن سلول‌ها بر روی الگو (قالب)
  3. شکل گیری ماتریکس خارج سلولی
  4. از بین بردن سلول ها
  5. شکل گیری ترکیب مارتریکس خارج سلولی-قالب
  6. از بین بردن قالب و در نهایت بوجود آمدن داربستی از جنس ماتریکس خارج سلولی

در مهندسی بافت ابتدا یک ماده متخلخل (دارای حفره‌های ریز) به عنوان ماتریکس خارج سلولی یا داربست برای رشد سلول‌ها تهیه شده و سپس عوامل رشد بر روی آن قرار می‌گیرد. پس از رشد مناسب سلول‌ها در فضای تخلخل‌ها، داربست از محیط آزمایشگاه به درون بدن موجود زنده منتقل می‌شود. پس از این انتقال، مرحله‌ی بعد نفوذ رگ‌های خونی به داربست است تا بتوانند سلول‌ها را تغذیه نمایند. در غیر این صورت پیوند در همین مرحله با شکست روبه رو می شود. در مورد بقای داربست در بدن فرد، برای بافت‌های مختلف متفاوت است به‌طوری که در بافت‌های نرم بدن الزاماً داربست مصنوعی تخریب شده و بافت جدید (که بطور طبیعی توسط بیمار ساخته می‌شود) جایگزین آن می‌شود ولی در بافت‌های سخت مانند استخوان، می‌توان جنس داربست‌ها را طوری در نظر گرفت که در  بدن بیمار باقی بمانند و تخریب نشوند.

در این تصویر، روی بیماری که دچار جراحت پوستی شده، عمل لیپوساکشن (چربی کشی) انجام می‌شود. بافت چربی را به آزمایشگاه برده و سلول‌های فرد را از آن استخراج کرده و در محیط آزمایشگاه رشد می‌دهند. همچنین با استفاده از مواد بافت چربی، داربست طراحی و ساخته می‌شود. در مرحله‌ی بعد سلول‌ها را در داربست می‌کارند تا بافت جدید شکل گیرد. پوست مصنوعی را به محل آسیب‌دیده از  بدن شخص پیوند می‌زنند.

4-4 جایگاه مهندسی بافت در پزشکی

مهندسی بافت شاخه ای از پزشکی بازساختی است. (در مبحث مهندسی بافت پیشرفته با ارتباط این دو حوزه و کاربرد آن‌ها در پزشکی بیشتر آشنا می شویم.) دغدغه‌ی اصلی در هر دو حوزه جایگزینی و یا بازساخت سلول ها، بافت‌ها (تمرکز اصلی مهندسی بافت) و یا ارگانهاست تا در نهایت به عملکرد بیولوژیکی طبیعی خود دست یابند. با وجود پیشرفت‌‌های زیادی که در زمینه مهندسی بافت انجام شده است اما تلاش بیشتر برای جایگزینی اندام و بافت ضروری است. بزرگ‌ترین آرزوی پژوهشگران این حیطه ساخت اندام‌هاست که از چندین نوع بافت و سلول تشکیل شده‌اند. اگرچه با توجه به پیچیدگی اندام‌ها تا رسیدن به این مرحله فاصله زیادی در پیش است.

استفاده از پرینترهای سه بعدی، مهندسین بافت را بیش از پیش به آینده امیدوار کرده‌است! گفته می‌شود با به‌کارگیری این پرینترها برای ساخت داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر[1] ، امکان ساخت بافت‌های بیرونی (مانند اجزای چهره) و [2]درونی (مانند رگ‌ها) تا دو دهه‌ی آینده فراهم خواهد‌شد.

درباره‌ی جنس داربست‌ها در مبحث مهندسی بافت پیشرفته بیشتر صحبت می‌کنیم.

[1] biodegradable

منابع

  1. اصغرزاده، محمد. پورحاجی، الهام. (1393) .سلول‌های بنیادی و کاربرد آن‌ها
  1. https://brainbee.ir/
  2. http://bio-engineering.ir/category/medical-biotech/
  3. Weissman IL. Stem cells: units of development, units of regeneration, and units in evolution. Cell 2000
  4. 9- Gurtner GC, Callaghon MJ, Longaker MT. Progress and potential for regenerative medicine. Annu Rev Med 2007
  5. Jingyu Liu and Cheng Yan. (2018). 3D Printing of Scaffolds for Tissue Engineering
  6. Samantha L. Ginn, Anais K. Amaya, Ian E. Alexander, Michael Edelstein ,Mohammad R. Abedi. (2018).
  7. Gene therapy clinical trials worldwide to 2017: An update
  8. Daniel HowardLee D ButteryKevin M Shakesheff, and Scott J Roberts.( 2008) . Tissue engineering: strategies, stem cells and scaffolds
  9. Simona Casarosa, Jacopo Zasso and Luciano Conti. (2013). Systems for ex-vivo Isolation and Culturing of Neural Stem Cells
  10. it, M., Carpenter, M.K., Inokuma, M.S., Chiu, C.P., Harris, C.P., Waknitz, M.A., Itskovitz-Eldor, J., and Thomson, J.A. (2000). Clonally derived human embryonic stem cell lines maintain pluripotency and proliferative potential for prolonged periods of culture
  11. https://ghr.nlm.nih.gov/primer/therapy/genetherapy
  12. https://ghr.nlm.nih.gov/primer/therapy/procedures
  13. https://www.conserve-energy-future.com/biotechnology-types-examples-applications.php
  14. https://www.closerlookatstemcells.org/learn-about-stem-cells/types-of-stem-cells/
  15. Mustapha Chamekh .(2015) Genetically Engineered Bacteria in Gene Therapy — Hopes and Challenges.
اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید