موضوع مقاله: غضروف مصنوعی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # غضروف مصنوعی | مقدمه: غضروف مصنوعی یک مادهٔ سنتتیک ساخته شده از هیدروژلها یا پلیمرها است که هدف آن تقلید ویژگی‌های عملکردی غضروف طبیعی در بدن انسان است. | ## بخش 1: غضروف مصنوعی | اصول مهندسی بافت، به منظور ایجاد یک مادهٔ غیر قابل تجزیه و زیست سازگار به کار می‌روند که بتواند جایگزین غضروف شود. اولا، غضروف یک ساختار آواسکولار (بدون خون) در بدن است و بنابراین خود را ترمیم نمی‌کند. اخیراً، در مورد ایجاد غضروف مصنوعی برای استفاده در فضاهای مفصلی، توان مکانیکی بالا تحت فشار به عنوان ویژگی ذاتی این ماده مطرح شده‌است. غضروف طبیعی سه نوع غضروف در بدن انسان وجود دارد: فیبروکارتلاژ (غضروف رشته‌ای)، غضروف هیالین و غضروف الاستیک. هر نوع غضروف غلظت‌های مختلفی از ترکیباتی مانند پروتئوگلیکان‌ها، کلاژن و آب دارد که ویژگی‌های عملکردی و محل آن‌ها را در بدن تعیین می‌کند. غضروف رشته ای اغلب در دیسک‌های بین مهره ای، غضروف الاستیک در گوش خارجی و غضروف هیالین در بسیاری از سطوح مفاصل بدن یافت می‌شود. - کندروسیت‌ها: کندروسیت‌ها سلول‌هایی هستند که ماتریکس غضروفی را تولید کرده و حفظ می‌کنند. کندروسیت‌ها از نظر اندازه، شکل و غلظت، بسته به محل خود در غضروف مفصلی تفاوت دارند. کلاژن، ترکیبی از ساختار مارپیچ سه‌گانه زنجیره‌های پلی پپتید است و ویژگی‌های کشش و برش به غضروف می‌دهد. کلاژن نوع ۲، رایج‌ترین نوع کلاژن موجود در غضروف است، گرچه انواع ۴، ۵، ۶ و ۷ نیز حضور دارند. پروتئوگلیکان‌ها متشکل از پروتئین اتصال دهنده همراه با یک پروتئین مرکزی هستند که گلیکوزآمینوگلیکان‌ها (GACs) به آن متصل می‌شوند. پروتئوگلیکان‌ها به زنجیره اصلی معمولاً هیالورونیک اسید توسط یک پروتئین اتصال دهنده متصل می‌شوند تا انشعابات پروتئوگلیکانی بزرگتر را ایجاد نمایند. پروتئوگلیکان‌ها هیدروفیل (آبدوست) هستند و بنابراین مولکول‌های آب را جذب کرده و نگه می‌دارند. - گلیکوپروتئین‌ها: بسیاری از گلیکوپروتئین‌های دیگر نیز در ECM غضروف در مقادیر کم حضور دارند که به حفظ ساختار و سازماندهی کمک می‌کند. فیبرونکتین و اینتگرین‌ها، گلیکوپروتئین‌های دیگر موجود هستند که به چسبیدن کندروسیت‌ها به ECM کمک می‌کنند. ساختار ساختار سه منطقه ساختاری در غضروف مفصلی وجود دارد که شامل یک منطقه مماسی، منطقه انتقالی میانه و یک منطقه عمیق است. در منطقه مماسی، فیبرهای کلاژن به‌صورت موازی با سطح قرار می‌گیرند و بتدریج و به‌طور تصادفی به سمت منطقه عمیق حرکت می‌کنند. فیبرهای کلاژن در منطقه سطحی به‌صورت موازی با سطح قرار می‌گیرند تا فشارهای برشی را محدود نمایند. همچنین فیبرهای کلاژن در ناحیه عمیق به‌صورت عمود قرار می‌گیرند تا فشارهای تراکمی را محدود نمایند. قرارگیری سلولی نیز بین مناطق تفاوت دارد، در منطقه عمیق کندروسیت‌ها در ستون‌هایی انباشته می‌شوند، اما در مناطق سطحی آنها به‌صورت تصادفی آرایش می‌یابند. در مناطق سطحی، سلول‌ها همچنین کشیده تر هستند، اما در مناطق عمیق‌تر آنها طبیعتاً کروی هستند. غضروف مصنوعی غضروف مصنوعی، می‌تواند ترکیبی از مواد مختلف باشد که ویژگی‌های عملکردی را تقلید می‌کند. اصول مهندسی بافت، شامل استفاده از سلول‌ها، فاکتورهای رشد و اسکافولدهای سنتتیک برای انجام این کار است. اجزاء - سلول‌ها: کندروسیت‌ها، گزینه مشخصی برای استفاده در بازسازی غضروف به دلیل توانایی شان در ترشح کلاژن و دیگر اجزای ضروری ECM جهت ویژگی‌های عملکردی غضروف هستند. کندروسیت‌ها می‌توانند از یک فضای مفصلی که وزنی را تحمل نمی‌کند برداشت شده و کشت یابند. | ## بخش 2: غضروف مصنوعی | متأسفانه کندروسیت‌های برداشت شده از افراد می‌توانند تمایز یافته و ویژگی‌های خود را از دست دهند. بعلاوه کندروسیت‌های پیر فعالیت متابولیک کمتری نشان می‌دهند و ممکن است پروتئین‌های عملکردی تولید نکنند یا پروتئین‌های عملکردی کافی برای ایجاد یک ECM مطلوب را نسازند. سلولهای بنیادی مزانشیمی نیز می‌توانند برای ایجاد کندروسیت‌ها استفاده شوند و امکان بازسازی غضروف را فراهم نمایند. فاکتورهای رشد: فاکتورهای رشد می‌توانند برای القای تمایز یک سلول یا القای ترشح پروتئینهای ماتریکس استفاده شوند. فاکتورهای رشد معمول برای به‌کارگیری غضروف مصنوعی شامل فاکتور رشد انسولین 1 (IGF-۱)، فاکتور رشد تغییر شکل دهندهٔ β (TGF-β)، پروتئین‌های مورفوژنیک استخوانی (BMP) و فاکتور رشد و فاکتور تمایز 5 (GDF-5) هستند. ساختار اسکافولدها در مهندسی بافت استفاده می‌شوند تا محیطی با ویژگی‌های مکانیکی مشابه بافت عادی ایجاد نمایند. درجه کراس لینک شدن، تخلخل و ترکیب پلیمری می‌توانند هماهنگ شوند تا هیدروژلی با ویژگی‌های مشابه غضروف طبیعی بسازند. ساختار شرح داده شده در بالا به بافت غضروفی این امکان را می‌دهد که ویژگی‌های مکانیکی بیشتر را برای انجام عملکردهای ضروری داشته باشد. غضروف سنتتیک به تقلید ویژگی‌های عملکردی غضروف طبیعی کمک خواهد کرد تا دو جنبه اصلی را داشته باشد. ویژگی‌های تحمل بار: یکی از عملکردهای اصلی غضروف مفصلی، این است که توانایی برای انتقال مؤثر بار را به‌صورت چرخه ای مکرر در استخوان داشته باشد. این بار فشاری می‌تواند چندین برابر وزن بدن باشد، به دلیل فعالیت‌هایی مانند پیاده‌روی و دو؛ بنابراین غضروف با پراکنده کردن انرژی می‌تواند به این امر برسد. ویژگی‌های تریبولوژیک: دومین عملکرد مهم غضروف مفصلی، این است که می‌تواند در کل عمر بدون پوشش باشد یا پوشش کمی داشته باشد. غضروف، این عملکرد را با فراهم کردن سطح نرم توسط ضریب اصطکاک زیر صفر بدست می‌آورد. این روان شدن با ایجاد یک سطح صاف مانع چسبندگی سلول و پروتئین شده و غضروف مفصلی را در برابر آسیب حفظ می‌کند. اینها عملکردهای مهم غضروف به دلیل نقش آن بعنوان یک بالش در مفصل بندی استخوان هستند. زمانیکه آسیب و تجزیه در غضروف مفصلی رخ می‌دهد، دیگر نمی‌تواند بارهای بزرگ را بدون درد و ناراحتی فرد (به دلیل کاهش ویژگی‌های مکانیکی) تحمل نماید. پس از آنالیز تحمل بار و ویژگیهای تریبولوژیک غضروف مفصلی، این ویژگی‌های مکانیکی می‌تواند بسته به ساختار و اجزای هیدروژل ایجاد شده به دست آید که در بخش روش‌های موجود مورد بحث قرار خواهد گرفت. ویژگی‌های هیدروژل‌های ایجاد شده می‌تواند بر اساس اجزا و ساختار تفاوت اساسی داشته باشد. در کل رسیدن به تمام عملکردهای مکانیکی غضروف طبیعی که هدف نهایی غضروف مصنوعی است، بسیار مشکل می‌باشد. در مواجهه با ساخت هیدروژل‌ها، عملکردهای دیگر وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. برای مثال هیدروژل باید ویژگی‌های تجزیه ای درست داشته باشد تا بازسازی را در زمان صحیح انجام دهد. این عملکردها با مقایسه فشار، مدول‌ها و میزان آب قبل و بعد از جایگذاری ترکیبات مختلف هیدروژل‌ها آزمایش شده‌است. روشهای موجود روش‌های متعددی در مورد درمان‌های بازسازی غضروف و نیز ایجاد غضروف مصنوعی وجود دارد. پیشرفت‌های چشمگیری در سال‌های اخیر در ارائه این درمان‌های بازسازی صورت گرفته‌است. ضد تجزیه بسیاری از عوامل بیولوژیک و ترکیبات شیمیایی برای پیشگیری از عملکرد انزیم‌های تجزیه کننده ماتریکس که فعالانه کار می‌کنند تا غضروف را تجزیه نمایند، استفاده شده‌اند. | ## بخش 3: غضروف مصنوعی | آنتی‌بادی‌های مونوکلونال مطالعه شده کار می‌کنند تا بویژه مانع آزادسازی آگرکان القا شده با ADAMTS-5 شوند. سیتوکین‌ها و کمو کاین‌ها هر دو در القای کاتابولیسم غضروف و مهار این واسطه‌های التهابی بسیار مهم هستند. مطالعات نشان داده‌اند که درمان با مسیر مهار کنندهٔ NF-kB (BAY11-7082) کندروژنز (ساخت غضروف) مهارشده با IL-1B- سلول‌های بنیادی استخوان را ذخیره‌سازی می‌کند و به نوبه خود پیشروی OA را به تأخیر می‌اندازد. هم چنین تحقیقات گسترده نشان می‌دهد که مهار ترکیبی TNFa و IL-17 با آنتی‌بادی‌های دوبخشی، مهار هر دو سایتوکاین را جهت کاهش تجزیه غضروف و پاسخ‌های پیش التهابی مشخص می‌کند. بازسازی غضروف بر اساس سلول و اسکفولد برای ذخیره غضروف مفصل پس از آسیب به دلیل از دست رفتن کندروسیت، درمان سلولی و ذخیره‌سازی مجدد در برخی مطالعات استفاده شده‌است. MSCهای خود جمعی (سلولهای بنیادی مزانشیمی) در راس داربستهای هیدروژلی پر از کندروسیت، بازسازی غضروف شبه هیالین را با میانجی گری سلول نشان داده‌اند. با این حال یک اشکال این موضوع این است که جایگذاری این اسکافولدها نیاز بع عمل جراحی مفصل بازدارد تا کندروسیت‌های اهدا شده را از مناطق غضروف مفصلی که وزنی تحمل نمی‌کنند، جمع نمایند. همراه با درمان‌های بازسازی، چندین مطالعه وجود دارد که روش‌هایی را برای ارائه غضروف مصنوعی جدید مطرح می‌کند اسکافولد فیبری 3D woven نفوذ یافته با هیدروژل‌های شبکه یک مطالعه مطرح کرد که فیبرهای 3D woven ویژگی‌های تریبولوژیک تحمل بار غضروف عادی را فراهم می‌کند که آنها سعی می‌کنند تا به یک محیط بدون اصطکاک برسند. هیدروژل‌ها بعنوان سدهای سلولی استفاده می‌شوند چون آنها می‌توانند با سلول‌ها آمیخته شوند. هیدروژل‌های شبکه تفسیر کننده (IPN)، دو پلیمر مختلف ترکیب شده با یکدیگر بر روی یک مقیاس مولکولی هستند. آنها شبکه‌های کراس لینک با نوع خاص IPN هستند که قادر به پراکندن انرژی مکانیکی و در عین حال حفظ شکل یک هیدروژل پس از تغییر هستند. هیدروژل‌های شبکه ای مضاعف مانند مطالعهٔ قبلی، هیدروژل‌های شبکه ای مضاعف استفاده شده‌اند. ۶ هفته پس از جایگذاری، نمونه‌ها با انواع بدون تیمار مقایسه شده و ویژگی‌های قابل تجزیه زیستی را نشان دادند. با این حال، در استفاده از سلولز باکتریایی و ژلاتین، کاهش فشار نهایی دیده شده و نیازهای غضروف مصنوعی رفع نشد. کاربردهای بالینی در توجه به کارایی غضروف مصنوعی، کاربردهای بالینی بسیار مهم است. درمان مبتنی بر MSC در مطالعات خاص، جایگذاری سلول بنیادی مزانشیمی تحریک کننده ماتریکس، پیشرفت‌های بالینی سریع تر در مقایسه با جایگذاری ساده کندروسیت‌ها نشان داد. MSC، بازسازی غضروف را در زانوهایی که اوستئوتریت داشتند افزایش و درد و ناتوانی را کاهش داد. هیچ تغییر التهابی یا تخریبی در غضروف مفصلی یا غشای مفصلی احاطه کننده این غضروف PVA مصنوعی وجود نداشت. آنها زمانی که از ترکیبی از هیدروژل PVA/PVP استفاده کردند، ساختار سه بعدی داخلی و محتوای آب مشابه با غضروف مفصلی طبیعی ایجاد کردند. بهترین ویژگی‌های مکانیکی و سیستم اصطکاک، هیدروژل ترکیب شده با PVP رطوبت ۱درصد بودند. به دلیلپیوند هیدروژنی بین زنجیره ای بیشتر، افزودن PVP به PVA خالص عملکرد بهتری را نشان داد. غضروف مصنوعی یک موضوع تحقیقی جدید است و ناشناخته‌های زیادی در مورد آن وجود دارد. فاکتورهای ناشناخته زیادی شامل ASCPs وجود دارد و مطالعات بیشتری نیاز است تا نتایج بهتری در مورد عملکردهای بازسازی ASCPs بدست آید. | ## جمع‌بندی | بعلاوه فاکتورهای رشد ارزیابی شده‌اند، با این حال ترکیبات ویژه باید مطالعه شوند تا بتوان بافت کارآمدتری تولید کرد که ویژگی‌های غضروف طبیعی را تقلید نماید.