مهندسی بافت

مهندسی بافت بطور عام به معنی توسعه و تغییر در زمینه رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت یا عضو، برای جایگزینی یا ترمیم قسمت آسیب دیده بدن است. دانشمندان از سال‌ها قبل قادر به کشت سلول‌ها در خارج از بدن بودند، ولی فناوری رشد شبکه‌های پیچیده و سه‌بعدی سلولی برای جایگزینی بافت آسیب دیده اخیرا توسعه یافته‌است.
بر اساس تعریف برای ساخت یک بافت به شیوه‌های مهندسی، نیاز به طراحی یک داربست با ساختار فیزیکی مناسب با امکان چسبندگی سلول‌ها به آن، مهاجرت سلولی، تکثیر سلولی و تمایز سلولی و در نهایت رشد و جایگزینی بافت جدید است.
تاریخچه
اولین بار در سال ۱۹۰۰ الکسی کارل واژه 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. پس از کارل و لیندبرگ، کارهای زیادی در این زمینه انجام شد تا اینکه در سال ۱۹۸۰ پوست مصنوعی ساخته شد، و بر روی یک بیمار آزمایش شد. از آن پس به تدریج مهندسی بافت به عنوان یک زمینه یا شاخه جدیدی از علم شروع به گسترش نمود.
مهندسی بافت به طور عام به معنی توسعه و تغییر در زمینه رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت یا عضو، با هدف جایگزینی و ترمیم قسمت آسیب دیده در بدن 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، اخیرا میسر شده است.
روش کار
ایده‌ای که درپس مهندسی بافت قراردارد ساخت دو نوع اتوگرافت مهندسی است، یکی با رشد دادن سلولهای خود شخص در محیط آزمایشگاه که بر روی یک داربست انجام می‌شود و دیگری با کاشت یک داربست غیرسلولی در داخل بدن تا سلولهای بدن بیمار، بافت آسیب دیده را با هدایت داربست ترمیم نمایند. درهر دو مورد، داربست باید همزمان با رشد بافت تخریب شود، بنابراین پس از تکامل و رشد بافت، داربست دیگر وجود نخواهد داشت و بافت تازه تولید شده، می‌تواند مانند بافت از دست رفته عمل کند.
در مهندسی بافت ابتدا یک ماده متخلخل 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. به تدریج رگ‌ها به داربست نفوذ می‌کنند تا بتوانند سلول‌ها را تغذیه نمایند. در بافت‌های نرم بدن الزاما داربست تخریب شده و بافت جدید جایگزین آن می‌شود ولی در بافت‌های سخت، می‌توان از موادی بهره گرفت، که لزوما تخریب پذیر نباشند.
سلولهای کشت شده میتوانند سلولهای ویژه آن بافت و یا سلولهای بنیادی باشند. امروزه سلولهای بنیادی یکی ازجذابترین زمینه‌های تحقیق در علم زیست شناسی میباشند که دلیل آن را میتوان در ویژگیهای خاص این سلولها جستجو کرد. در حقیقت سلول بنیادی سلولی با ویژگی خاص است که توانایی خودنوزایی و تمایز به انواع سلولهای دیگر را داراست این خاصیت سلولهای بنیادی امکان استفاده از این سلولها را در پزشکی ترمیمی یا سلول درمانی فراهم میکند و به این دلیل این سلولها در مهندسی بافت به میزان زیادی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
مهمترین نگرانی برای هر کاربرد مهندسی بافت، ایمنی بیمار است. مواد توده و مواد حاصل از تخریب یک داربست باید زیست سازگار و قابل پاکسازی و حذف به وسیله بدن باشند. به همان اندازه نیز مهم است که فرآیندی که برای شکلدهی انتخاب می‌شود، بر روی زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری مواد اولیه داربست اثر منفی نگذارد. وظیفه عمده یک داربست هدایت رشد و مهاجرت سلولها از بافتهای مجاور به سمت موضع معیوب یا تسهیل رشد سلولهای کاشته شده بر روی داربست پیش از پیوند می‌باشد. مطلوب است که سطح از نظر شیمیایی برای چسبندگی و تکثیر سلولی مساعد باشد. قطر بالای حفرات و ارتباط زیاد حفرات برای تشکیل بافت و انتقال مواد مغذی و پسماندهای متابولیک ضروری است. هر چه تخلخل و قطر حفرات افزایش یابد، منجر به افزایش
نسبت سطح به حجم داربست یا به عبارتی سطح بیشتر برای چسبیدن سلولها میشود.
در مهندسی بافت از بسیاری از علوم مهندسی برای نیل به این هدف استفاده می‌شود. بیولوژیست‌های سلولی و مولکولی، مهندسین مواد پزشکی، طراحان شبیه‌ساز کامپیوتر، متخصصان تصویر برداری میکروسکوپی و مهندسین رباتیک و نیز بسیاری تجهیزات پیشرفته نظیر بیوراکتورها که بافت‌ها در آنجا رشد نموده و تغذیه می‌شوند، همگی به نوعی در تحقیقات مهندسی بافت سهیم هستند. بافت‌های مصنوعی انسانی نظیر پوست، کبد، استخوان، ماهیچه، غضروف، تاندون، رگ‌های خونی از جمله مواردی هستند که تاکنون بررسی شده‌اند. هدف اولیه کاشتنی‌های مهندسی بافت، شناسایی، ترمیم و بازسازی عیوب و نارسایی‌های بافتی است که برای آن اصول مهندسی و اصول بیولوژیک با هدف تولید جایگزین‌های کامل بافت‌های انسانی ترکیب می‌شوند.
مواد مورد استفاده در مهندسی بافت
به طور کلی فلزات، سرامیکها، پلیمرها و آلیاژ و کامپوزیت این مواد در مهندسی بافت استفاده می‌شوند.فلزات دارای استحکام مکانیکی بالایی بوده و در برابر تنش‌های تک بعدی مقاومت مناسبی نشان می‌دهند. ولی از طرفی فلزات در برابر تنشهای گوناگون و غیر هم محور مقاومت مناسبی نداشته و در اغلب موارد دچار ترک و در نهایت شکست می‌شوند. همچنین در بسیاری از گزارشها، انتقال یون فلزی از پیوند فلزی به بدن بیمار دیده شده است.
سرامیکها به لحاظ هدایت استخوانی، یکپارچگی و در برخی موارد القای استخوانی به عنوان یکی از گزینه‌های عالی جهت پیوند بافت تخریب شده به شمار می‌روند. از طرفی سرامیکها استحکام مکانیکی مناسبی نداشته و در برابر تنشهای معمولی نیز رفتاری شکننده دارند. با توجه به این نکته استفاده از این مواد به عنوان افزودنی در بستر پلیمرها به دلیل تنوع در خواص، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. انتخاب ماده جهت تهیه داربست به میزان زیادی بستگی به نوع بافت مورد نظر دارد. به عنوان مثال سرامیکها و کامپوزیت آنها با پلیمرها جهت بازسازی بافتهای سخت و از پلیمرها جهت بازسازی بافتهای نرم استفاده میشود.
به طور کلی پلیمرهای مورد استفاده در مهندسی بافت را میتوان به دو گروه پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای سنتزی تقسیم نمود.
تمامی پلیمرهای طبیعی مورد استفاده در مهندسی بافت یا از منابع حیوانی استخراج می‌گردد یا توسط میکروارگانیسمها سنتز میشود. با توجه به اینکه این پلیمرها از منابع حیوانی به دست می‌آیند از زیست سازگاری مناسبی درون بدن انسان برخوردار هستند.
سنتز پلیمرها با ویژگی و خصوصیات دلخواه باعث شده که این گروه بزرگ پلیمرها در مهندسی بافت مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به نوع، کاربرد و نیاز، میتوان پلیمری با ویژگی مناسب سنتز نمود.
روش‌های تهیه بافت
روش‌های مختلفی برای دستیابی به یک بافت مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که از آن جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
۱. طراحی و رشد بافت‌های انسانی مصنوعی در خارج از بدن برای کاشت بعدی جهت جایگزینی بافت‌های ناسالم. بارزترین مثال در این مورد پیوند پوست است که در درمان سوختگی زخم‌های دیابتی بکار می‌رود.
۲. کاشت محفظه‌های محتوی سلول که باعث ترغیب و القاء رشد و ترمیم بافت می‌گردند. این روش جهت تکثیر و تولید مقادیر زیاد مولکول‌های مورد نیاز برای رشد سلولی نظیر عوامل رشد بکار می‌رود. برای این کار پلیمرهای جدیدی به صورت سه بعدی تولید شده تا چسبندگی و رشد سلول‌های بافت آسیب دیده امکان‌پذیر شود. در این مورد می‌توان به ساخت یک زمینه برای ترمیم ضایعات دندانی اشاره کرد.
۳. تهیه داربست‌هایی از بافت‌های طبیعی انسانی جهت جایگزینی بافت‌های آسیب دیده داخلی. ابتدا جداسازی سلول‌ها از بدن صورت گرفته و در ساختار ماتریکسی قرار می‌گیرند و در انتها درون بدن کاشته می‌شوند. مثالی از این روش ترمیم استخوان، تاندون و غضروف است.
در حال حاضر جایگزین‌های قابل جذب مناسبی از سوی پژوهشگران ارائه شده‌است و بسیاری از آنها خواصی بسیار نزدیک با بافت‌های طبیعی دارند. با وجود این در مورد ترکیبی که بتوان از آن به عنوان یک بافت مصنوعی استفاده نمود همچنان بحث وجود دارد.
هدایت الکتریکی داربست‌های مهندسی بافت یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر عملکرد آن هاست.
به عنوان مثال تحقیقات در زمینه مهندسی بافت استخوان بیشتر بر پایه روش‌های دوم و سوم است. در این مورد ترمیم و جایگزینی استخوان‌های کوچک، پیوند استخوان و هدایت رشد استخوان از موفقیت نسبی برخوردار است، هر چند محققان اعتقاد دارند که سلول‌های بنیادی و سلول‌های استئوبلاست با وجود داربست تخریب پذیر به همراه فاکتورهای رشد، می‌توانند در این راه به آنها کمک کنند. پیوند سلولی اتوژنیک (شکل ژنی مشابه)، از بسیاری از مشکلات نظیر پس زدن عضو بیگانه جلوگیری می‌کند. سلول‌های جداسازی شده تزریق شده به بدن، به تنهایی قادر به شکل دادن بافت نیستند. این سلول‌ها نیاز به یک محیط مناسب دارند که در آن ماده حمایت کننده مشابه یک زمینه برای کشت سلولی در شرایط داخل شیشه (in vitro) عمل می‌کند.
داربست
برای ایجاد بافت جدید در خارج از بدن نیاز به یک بستر جهت قرار گرفتن سلول‌ها بر آن و تقلید ماتریس خارج سلولی در داخل بدن می‌باشد که اصطلاحا به آن داربست گفته می‌شود. در مهندسی بافت برای ایجاد بافت سلول بر روی داربست قرار داده شده و مجموعه سلول‌ها و داربست در محلول‌های پیچیده‌ای از ترکیبات شناخته شده (نمک‌ها، آمینواسیدها و ویتامین‌ها) که غالبا اجزای سرم به آنها اضافه می‌شود و محیط کشت نام دارد، رشد داده می‌شوند. بنابراین داربست مورد استفاده در مهندسی بافت به عنوان تقلیدی از ماتریس خارج سلولی نقش مهمی را دارا می‌باشد.
روش‌های ساخت داربست
قالب‌گیری محلولی/شستن ذرات
در این روش پلیمر در حلال خود به طور کامل حل می‌گردد، سپس عوامل ایجاد کننده حفره نظیر ذرات نمک، شکر و موارد مشابه (نظیر گوی‌های پارافینی) درون محلول پراکنده شده و به سپس مخلوط درون قالبی به شکل داربست مورد نظر، ریخته می‌شود. با گذشت زمان حلال به تدریج تبخیر می‌شود و داربست مورد نظر به همراه ذرات پراکنده باقی می‌ماند. با توجه به نوع ذره به کار رفته از یک مایع برای شستشو و خارج کردن ذرات استفاده می‌شود.
پس از شستشو در جای هر ذره یک حفره به جا می‌ماند. یکی از ویژگی‌های مهم این روش سادگی آن و عدم نیاز به تجهیزات مخصوص برای ساخت نمونه است. ابعاد تخلخل‌ها وابسته به ابعاد ذرات پراکنده شده است. داربست‌های تهیه شده در این روش دارای حفره‌ها و تخلخل‌هایی هستند که با یکدیگر ارتباط دارند و می‌توان تا 90% تخلخل در آنها ایجاد نمود. از محدودیت‌های این روش می‌توان به محدودیت ضخامت mm2-5/0، امکان خارج نشدن کامل حلال و تغییر ساختار پروتئین در آینده به دلیل حضور حلال اشاره کرد. دو مشکل اخیر را می‌توان با به کارگیری محلول‌های آلی برطرف نمود.
روش جدایی فاز با حرارت القایی
این روش در تهیه غشاها نیز کاربرد دارد . پلیمر در یک دمای خاص (معمولا درجه حرارت بالا) در یک حلال مشخص حل می‌شود، سپس به سرعت محلول سرد می‌گردد. فاز جامد حاصل از انجماد حلال به صورت متوالی تصعید شده و تخلخل ایجاد می‌گردد. ویژگی و ریخت داربست‌های تهیه شده در این روش وابسته به پلیمر، حلال، غلظت محلول و دمای جدایی فاز است. اندازه تخلخل‌ها بین 10 تا 100 میکرون است و برای کاشت سلول‌های استخوانی مناسب نیستند. بهبود در خواص فیزیکی و مکانیکی این داربست‌ها نسبت به داربست‌های تهیه شده از روش قالب گیری محلولی مشاهده شده است.
خشک کردن سرمایشی امولسیونی
در این روش پلیمر در یک حلال آلی به طور کامل حل می‌شود و سپس این محلول درون آب ریخته شده و به هم زده می‌شود تا امولسیونی پایدار تشکیل شود. پس از آن امولسیون به سرعت تا دماهای پایین سرد می‌شود، در همان دما حلال و آب جدا شده و تخلخل ایجاد می‌گردد. عدم ارتباط حفره‌ها با یکدیگر، حداکثر درصد تخلخل 90% و اندازه تخلخل‌های 20 تا 200 میکرون از ویژگی‌های این روش است. معمولا این روش در ساخت کامپوزیت‌ها کاربرد دارد.
استفاده از عوامل پف‌زا
این روش برای تولید فوم نیز کاربرد دارد، به صورتی که تخلخل‌ها به وسیله یک عامل ایجاد کننده حفره تولید می‌شوند. در یک دما و فشار خاص عامل ایجاد تخلخل تبدیل به گاز می‌شود و درون پلیمر تولید تخلخل می‌کند. در این روش می‌توان به درصد تخلخل 93 رسید ولی حفره‌ها تا 30 درصد با هم ارتباط دارند، در ضمن سطح نمونه‌ها بدون تخلخل است. اندازه تخلخل‌ها حداکثر 10 میکرون است. برای رفع اشکال ارتباط حفره‌ها می‌توان این روش را با روش ذره شویی ادغام کرد.
روش الکتروریسی
در این روش محلول یا مذاب پلیمری از سر سرنگ در یک میدان الکتریکی به سمت یک صفحه و هدف مشخص پرتاب می‌شود. در یک ولتاژ خاص حلال موجود در محلول پلیمری، در مسیر میدان الکتریکی تبخیر شده . الیاف متخلخل به دست می‌آید. در انتها لیف جمع آوری می‌شود و سپس به صورت بافته شده می‌توان از آن به عنوان داربست استفاده کرد. از ویژگی‌های این روش می‌توان به تولید الیاف در اندازه‌های میکرونی تا نانو اشاره کرد.
روش الگوبرداری سریع
این روش نوین‌ترین و جدیدترین روش برای تولید داربست است. در این روش با استفاده از نرم‌افزار شمایی از داربست مورد نظر گرفته شده و مدلی از آن ذخیره می‌گردد. سپس داربست با شکل و ریخت ذخیره شده ساخته می‌شود. تمامی این موارد با کامپیوتر و نرم افزار کنترل می‌گردد. داربست‌های تهیه شده به این روش دارای خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار عالی هستند ولی درصد تخلخل در این موارد پایین است.
مهندسی بافت