آشنایی با مهندسی بافت

مهندسی بافت استفاده از ترکیبی از سلول‌ها، روش‌های مهندسی مواد و عوامل بیوشیمیایی مناسب برای بهبود یا جایگزینی بافت‌های بیولوژیک است. مهندسی بافت شامل استفاده از داربست بافت برای ایجاد یک بافت جدید و زنده برای یک هدف پزشکی می‌باشد که با توجه به گستردگی و اهمیت این موضوع، می‌توان آن را به عنوان یک حوزه در نظر گرفت.
در حالیکه اغلب تعاریف مهندسی بافت طیف وسیعی از کاربردها را پوشش می‌دهد، در اصطلاح به معنی برنامه‌های کاربردی که بخشی یا کل بافت (مثل استخوان، غضروف، رگ‌های خونی، مثانه، پوست، عضلات و غیره) را ترمیم یا جایگزین می‌کند. اغلب بافتها نیاز به خواص مکانیکی و ساختاری برای عملکرد مناسب دارند. این اصطلاح نیز برای انجام توابع خاص بیوشیمیایی با استفاده از سلول‌ها در یک سیستم پشتیبانی مصنوعی ایجاد شده‌است (مثلا پانکراس مصنوعی یا کبدی مصنوعی). اصطلاح بازسازی دارو اغلب به صورت مترادف با مهندسی بافت استفاده می‌شود، گرچه کسانی که در پزشکی احیا کننده فعالیت می‌کنند تاکید بیشتری بر استفاده از سلول‌های بنیادی برای تولید بافت‌ها دارند.
نمای کلی
یک تعریف معمولی از مهندسی بافت، همان‌طور که توسط لانگرو وکانتی بیان شده‌است، "یک رشته بین رشته‌ای است که اصول مهندسی و علوم زیستی را در جهت توسعه جایگزین‌های بیولوژیکی که بازسازی، حفظ یا بهبود می‌یابند، اعمال می‌کند. همچنین مهندسی بافت به عنوان "درک اصول رشد بافت و استفاده از آن برای تولید بافت جایگزینی کاربردی برای استفاده بالینی" نیز تعریف شده‌است. شرح بیشتر می‌گوید که "فرضیه اصلی مهندسی بافت این است که کاربرد زیست‌شناسی طبیعی این سیستم، باعث موفقیت بیشتر در ایجاد استراتژی‌های درمانی می‌شود که با هدف جایگزینی، تعمیر، نگهداری یا بهبود عملکرد بافت" هستند.
تحولات کلیدی درزمینه چند رشته‌ای مهندسی بافت مجموعه جدیدی از قطعات جایگزین بافت و استراتژی‌های پیاده‌سازی را به دست آورده‌است. پیشرفت‌های علمی در مواد بیولوژیکی، سلول‌های بنیادی، عوامل رشد و تمایز و محیط بیومیمتیک باعث ایجاد فرصت‌های منحصر به فرد برای ساخت بافت‌ها در آزمایشگاه از ترکیبات ماتریس خارج سلولی ("داربست")، سلول‌ها و مولکول‌های فعال بیولوژیکی شده‌است. در میان چالش‌های عمده در حال حاضر با مهندسی بافت، نیاز به عملکرد پیچیده‌تر است، همچنین ثبات عملکردی و بیومکانیک و عروق کشی در بافت‌های آزمایشگاهی که برای پیوند استفاده می‌شوند. موفقیت مداوم مهندسی بافت و توسعه نهایی واحدهای واقعی انسانی از همگرایی پیشرفت‌های مهندسی و تحقیقات اولیه در بافت، ماتریکس، عامل رشد، سلول‌های بنیادی و زیست‌شناسی توسعه، و همچنین مواد و علوم زیستی اصل شده‌است.
سلول‌ها به عنوان بلوک‌های ساختمانی
سلول‌های اپی تلیال کشت شده
مهندسی بافت با استفاده از سلول‌های زنده به عنوان مواد مهندسی عمل می‌کند. از جمله استفاده از فیبروبلاست‌های زنده در جایگزینی یا ترمیم پوست، غضروف‌هایی که با کاندروسیت‌های زنده تعمیر می‌شوند، یا انواع دیگر سلول‌هایی که به روش‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. سلول‌ها به عنوان مواد مهندسی زمانی که دانشمندان در Geron Corp. کشف کردند که چگونه تلومرها را تولید و سلول‌های جاودان را ایجاد کنند در دسترس قرار گرفتند. پیش از این، کشت‌های آزمایشگاهی سلول‌های پستانداران سالم به دلیل تعداد کم تقسیمات تا قبل از مرگ سلولی محدودیت داشت.
استخراج
از بافت‌های مایع مثل خون سلول‌ها به روش bulk استخراج می‌شوند. استخراج از بافت‌های جامد، سخت‌تر است. معمولا بافت مالش می‌شود و سپس با آنزیم‌های تریپسین یا کلاژناز هضم می‌شود تا ماتریکس خارج سلولی (ECM) که سلول‌ها را نگه می‌دارد، برداشته شود. بعد از آن، سلول‌ها شناور می‌شوند و با استفاده از سانتریفیوژ استخراج می‌شوند. هضم با تریپسین بسیار وابسته به دما است. در دمای بالاتر هضم ماتریکس سریعتر است، اما آسیب بیشتری ایجاد می‌کند. کلاژناز کمتر وابسته به دما است و باعث کاهش تعداد سلول‌ها می‌شود، اما طول می‌کشد و یک ماده گران‌تر گران است.
انواع سلول‌ها
یک کلنی از سلول‌های بنیادی جنینی انسان بر روی فیبروبلاست لایه تغذیه‌کننده جنینی موش
سلول‌ها اغلب توسط منبع آنها طبقه‌بندی می‌شوند. سلول‌های اتولوگ سلول‌هایی هستند که از فرد گرفته شده و به خودش تزریق می‌شوند. سلول‌های اتولوگ دارای کمترین مشکلات با رد پیوند و انتقال پاتوژن هستند، اما در برخی موارد ممکن است در دسترس نباشند. برای مثال، در بیماری‌های ژنتیکی سلول‌های اتولوگ مناسب موجود نیست. همچنین افراد بسیار بیمار یا سالخورده، و نیز بیماران مبتلا به سوختگی شدید، ممکن است مقدار کافی سلول‌های اتولوگ را برای ایجاد سلول‌های مفید مفید نداشته باشند. علاوه بر این، از آنجا که این رده از سلول‌ها باید از بیمار برداشت شود، برخی نگرانی‌ها ازجمله ضرورت انجام جراحی برای چنین عملیاتی است که ممکن است منجر به عفونت محل اهدا یا درد مزمن شود. سلول‌های اتولوگ باید قبل از استفاده از نمونه‌ها کشت شوند: این زمان نیاز دارد، بنابراین راه حل‌های اتولوگ ممکن است خیلی سریع نباشد. به تازگی روند استفاده از سلول‌های بنیادی مزانشیمی مغز استخوان و چربی وجود دارد. این سلول‌ها می‌توانند به انواع مختلف بافت، از جمله استخوان، غضروف، چربی و عصب تمایز پیدا کنند. تعداد زیادی از سلول‌ها می‌توانند به راحتی و به سرعت از چربی جدا شوند، به این ترتیب پتانسیل ایجاد تعداد زیادی از سلول‌ها را می‌توان سریع و آسان به دست آورد.
سلول‌های آلوژنیک از بدن اهدا کننده از همان گونه‌ها می‌آیند. در حالی که برخی از محدودیت‌های اخلاقی برای استفاده از سلول‌های انسانی برای مطالعات in vitro وجود دارد، استفاده از فیبروبلاست‌های پوستی از پوست کشت شده انسانی نشان داده‌است که ایمن هستند و بنابراین انتخاب مناسب برای مهندسی بافت پوست هستند.
سلول‌های زنوژنیک این‌ها از افراد گونه‌های دیگر جدا شده‌اند. در سلولهای حیوانی بخصوص در آزمایش‌ها با هدف ساخت ایمپلنت‌های قلب و عروق به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است.
سلول‌های همگنی یا ایزوژنیک از ارگانیزم‌های ژنتیکی مشابه مانند دوقلوها، کلون‌ها یا مدل‌های حیوانات تحقیقاتی بسیار انجماد جدا شده‌اند.
سلول‌های بنیادی سلول‌های نامتعارف هستند که توانایی تقسیم شدن به سلول‌ها را دارند و باعث ایجاد اشکال مختلف سلول‌های تخصصی می‌شوند. با توجه به منبع آنها، سلول‌های بنیادی به سلول‌های بنیادی «بالغ» و «جنینی» تقسیم می‌شوند. بعضی از سلول‌ها در مراحل اولیه جنین بسیار قوی هستند. در حالی که هنوز یک بحث بزرگ اخلاقی در ارتباط با استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی وجود دارد، تصور می‌شود که سلول‌های بنیادی دیگری ایجاد شده توسط جایگزین دیگری ممکن است برای ترمیم بافت‌های آسیب دیده یا آسیب دیده مفید باشد، یا می‌توانند برای رشد اندام‌های جدید استفاده شوند.
اسکفولد
داربست‌ها موادی هستند که برای ایجاد تعامل‌های سلولی مطلوب به منظور تشکیل بافت‌های عملکردی جدید برای اهداف پزشکی طراحی شده‌اند. سلولها اغلب روی این ساختارها که قادر به حمایت از ساختار بافت سه بعدی هستند، کشت می‌شوند. داربستها ماتریکس خارج سلولی از بافت مادری را تقلید می‌کنند. آنها معمولا برای حداقل یکی از اهداف زیر استفاده می‌شوند: حفظ وابستگی سلولی، مهاجرت، تحویل و حفظ سلول‌ها، تامین عوامل بیوشیمیایی، انتشار مواد مغذی حیاتی سلولی و تولید محصول هابیان شده، تاثیرهای مکانیکی و بیولوژیکی خاص برای تغییر رفتار فاز سلولی و…