مهندسی بافت چیست و چه کاربردهایی دارد؟ — همه آنچه باید بدانید

مهندسی بافت علمی است که از ترکیب داربست، سلول و مولکول‌های زیستی فعال برای ساخت بافتی جهت بازسازی یا حفظ عملکرد و بهبود بافت آسیب‌دیده یا حتی یک اندام در آزمایشگاه استفاده می‌کند. پوست و غضروف مصنوعی ازجمله بافت‌های مهندسی شده‌ای هستند که سازمان غذا و دارو آمریکا (FDA) آن‌ها را برای استفاده بالینی تایید کرده است. در این مطلب علاوه بر تعریف مهندسی بافت به کاربردها و موفقیت‌های آن، انواع داربست‌ها و سلول‌های لازم و چالش‌های پیش‌رو به زبان ساده می‌پردازیم.

مهندسی بافت چیست ؟

اساس مهندسی بافت از ۳۰ سال پیش (دهه ۹۰ میلادی) تاکنون ثابت است. این فرایند با برقراری پیوند بین علم مواد و زیست‌شناسی، به بازسازی بافت و عملکرد اندام‌ها کمک می‌کند. در مهندسی بافت، ماده‌ای زیست تخریب‌پذیر که در محیط بدن خودبه‌خود از بین می‌رود، ساختاری شبیه به یکی از بافت‌ها یا اندام‌های آسیب‌دیده درمی‌آید. به ایبن ساختار داربست می‌گویند. سلول‌های مناسب برای تشکیل بافت موردنظر روی این داربست قرار می‌گیرند. داربست در بدن جاندار کاشته می‌شود و با «تکثیر سلول‌ها» (Proliferation)، تشکیل اتصالات بین سلولی و در نهایت تشکیل بافت، داربست کم‌کم از بین می‌رود.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

داربست در مهندسی بافت

«داربست» (Scaffolds) ساختارهایی هستند که شرایطی شبیه به ماتریکس خارج سلولی داخل بدن را برای تکثیر، رشد و اتصالات سلول‌ها در محیط آزمایشگاهی فراهم می‌کنند. وظایف این ساختار به شرح زیر است.

• فراهم کردن محیطی برای اتصال، مهاجرت، رشد و «تمایز» (Differentiation) سلول‌ها در «شرایط آزمایشگاهی» (in vitro) و «محیط داخلی بدن» (in vivo)
• فراهم کردن شکل و حمایت مکانیکی برای بافت آسیب‌دیده و حفظ استحکام بافت مهندسی شده
• برهم‌کنش فعال با سلول‌ها برای تسهیل فرایندهای مختلف ازجمله تکثیر و تمایز
• منبع ذخیره و ناقلی برای فاکتورهای رشد
• فراهم کردن حجم کافی برای تشکیل رگ‌های خونی و شکل‌گیری بافت

ویژگی‌های داربست‌های مهندسی بافت

داربست‌ها یکی از سه جزو اصلی در مهندسی بافت هستند که ساختاری سه‌بعدی برای انجام فرایندهای سلولی فراهم می‌کنند. این ساختار سه‌بعدی نیاز به ویژگی‌های ساختاری، زیستی و مکانیکی مشخصی برای کمک به انجام این فرایندها دارد.

ویژگی‌های ساختاری

داربست‌ها باید فضای کافی برای تشکیل بافت را در اختیار سلول‌ها قرار دهند. برای انتقال مواد موردنیاز سلول این ساختارها باید تخلخل و همزمان استحکام کافی داشته باشند. هم‌چنین سرعت تخریب آن‌ها باید با سرعت تشکیل بافت جدید متناسب باشد.

ویژگی‌های زیستی

داربست‌ها باید با بدن موجود زنده تعامل داشته باشند و برای فرایندهای سلولی آسیبی ایجاد نکنند. سه ویژگی زیر کمک می‌کنند داربست و بدن موجود زنده ارتباط بهتری برقرار کنند.

• «زیست‌سازگاری» (Biocompatibility)
• «زیست‌فعالی» (Bioactivity)
• «زیست‌تخریب‌پذیری» (Biodegradable)

فیلم آموزش زیست سازگاری پیشرفته – جامع و کاربردی

کلیک کنید

زیست سازگاری

داربست‌ها باید برای رشد، تکثیر و تمایز سلول‌های گرفته شده از بدن «خود فرد» (Auotogenic)، «انسان دیگر» (Allogenic) یا سلول‌های گرفته شده از «گونه‌های دیگر» (Xenogenic)، در محیط آزمایشگاهی و بدن انسان سازگار باشند. به این ویژگی زیست‌سازگاری گفته می‌شود. ترکیبات زیست‌سازگار برای سلول‌ها و بافت‌های بدن سمی نیستند و واکنش‌های ایمنی و حساسیت ایجاد نمی‌کنند.

زیست‌فعالی

برای برهم‌کنش فعال با سلول‌ها و مولکول‌های زیستی لازم است داربست‌ها زیست‌فعال باشند. برهم‌کنش با مولکول‌های زیستی برای شکل‌گیری بافت، اتصالات بین سلولی، تمایز و انتقال پیام‌های شیمیایی نقش مهمی دارد. هم‌چنین داربست باید با مولکول‌های فاکتور رشد سازگاری باشد و توانایی کپسوله و ذخیره کردن فاکتورهای رشد خارج از بدن را داشته باشد. برای مثال داربست‌های هیدروژلی با پیوندهای کووالانسی یا یونی ساخته می‌شوند که پروتئین‌ها را در خود نگه می‌دارند و با جذب آب آزاد می‌کنند.

زیست‌تخریب‌پذیری

داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر از موادی تشکیل می‌شوند که به‌راحتی در بدن یا طبیعت از بین می‌روند و به مولکول‌های غیرسمی تبدیل می‌شوند که دفع آن‌ها انسان را دچار دردسر نمی‌کند. داربست‌هایی که از مواد طبیعی مثل پلیمر آلژینات ساخته می‌شوند این ویژگی را دارند.

ویژگی‌های مکانیکی داربست

داربست‌ها در بافت‌های آسیب‌دیده، حمایت مکانیکی فراهم و به پایداری شکل بافت کمک می‌کنند. حمایت مکانیکی از آسیب بیشتر بافت جلوگیری می‌کند. همچنین داربست با حفظ شکل بافت به حفظ عملکرد اندام کمک می‌کند. مقاومت در برابر فشار و ضربه، خاصیت کشسانی و استحکام داربست باید تا حد زیادی مشابه بافت طبیعی باشد.

روش‌های داربستی در مهندسی بافت

۴ روش بر اساس داربست برای مهندسی بافت گسترش یافته است. این روش‌ها شامل موارد زیر می‌شوند.

• داربست‌های متخلل پیش‌ساخته که برای کاشت سلول است.
• ماتریکس خارج سلولیِ سلول‌زدایی شده که از بدن انسان یا گونه‌های دیگر گرفته می‌شود.
• صفحات سلولی که همراه ماتریکس خارج سلولی ترشح شده از سلول است.
• هیدروژل‌های حاصل از خودآرایی که سلول‌ها را کپسوله می‌کنند.

داربست متخلخل پیش‌ساخته

داربست‌ها در این روش معمولا از مواد زیست‌تخریب‌پذیر ساخته می‌شوند، سلول‌ها روی آن قرار می‌گیرند و سپس در بافت یا اندام موردنظر پیوند داده می‌شوند. مسئله اصلی در استفاده از داربست‌های سنتزی ویژگی زیست‌سازگاری آن‌ها است. به همین دلیل از فرایندهای مختلفی برای ایجاد تغییرات سطحی و افزایش زیست‌سازگاری در این داربست‌ها استفاده می‌شود. ترکیبات سازنده این داربست‌ها از دو دسته مواد معدنی و آلی تشکیل شده است.

• • مواد معدنی ازجمله سرامیک
  •  پلیمرهای زیستی پروتئین، پلی‌ساکارید و لییپید

فیلم آموزش بیومواد Biomaterial – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

مزایای استفاده از داربست متخلخل پیش‌ساخته

استفاده از این روش برای ساخت بافت مهندسی شده مزایا و معایبی دارد که در جدول زیر بررسی می‌کنیم.

ماتریکس خارج سلولیِ سلول‌زدایی شده

این ماتریکس طبیعی‌ترین نوع داربست برای مهندسی بافت است. در این روش تمام مواد و سلول‌های ایمنی‌زا برداشته می‌شوند و داربست ماتریکس دست‌نخورده باقی می‌ماند. روش‌های سلول‌زدایی باید برای بافت‌های مختلف بهینه شوند تا کمترین تغییر در ویژگی‌های مکانیکی و بیوشیمیایی ماتریکس خارج سلولی به‌وجود بیاید. برای سلول‌زدایی این داربست، ترکیبی از روش‌های فیزیکی، شیمیایی و آنزیمی استفاده می‌شود.

• قبل از جدا کردن ساختارهای ماتریکس خارج سلولی، غشای پلاسمایی به‌وسیله روش‌های فیزیکی «چرخه انجماد و ذوب» (Freeze-Thaw Cycles) یا محلول‌های یونی از بین می‌رود.
• با از بین رفتن غشا، بخش‌های سیتوپلاسمی و هسته‌ای، محلول و به‌وسیله دترجنت‌ها و روش‌های آنزیمی ازجمله تریپسین/EDTA جدا می‌شوند.

این داربست‌ها ساختارهایی مثل ماتریکس خارج سلولی هستند که از قبل ساختار مشخصی دارند و با تغییراتی برای استفاده آماده می‌شوند. از دید نظری، این داربست‌ها برای مهندسی بافت در اولویت هستند، چون زیست‌سازگاری بالایی دارند و رشد و اتصال سلول را به‌راحتی تسهیل می‌کنند. اما استفاده از آن‌ها مشکلات زیر را ایجاد می‌کند.

• پایداری فیزیکی و مکانیکی این داربست‌ها کم است به همین دلیل برای بافت‌های تحت فشار، مناسب نیستند.
• ممکن است بدن آن‌ها را به‌عنوان آنتی‌ژن بشناسد و سیستم ایمنی را فعال کنند.

صفحات سلولی با ترشح ماتریکس خارج سلولی

در این روش سلول‌ها با اتصال به‌هم، ماتریکس خارج سلولی خود را ترشح می‌کنند و بدون هیچ واکنش آنزیمی در بدن کاشت می‌شوند. سلول‌ها در این روش تا قبل از اتصال، در ظرفی با کف پوشیده شده از پلیمر حساس به دما مثل پلی‌ایزوپروپیل‌ آکریل‌آمید، کشت داده می‌شوند. صفحه سلولی به‌وسیله تغییر آبگریزی پلیمر، با تغییر دما از سطح ظرف جدا خواهد شد. این داربست‌ها برای تشکیل بافت‌های پوششی اندوتلیال و اپیتلیال بسیار مناسب هستند.

کپسوله کردن سلول در ماتریکس هیدروژلی

«کپسوله کردن» (Encapsulation) فرایند به‌دام انداختن سلول زنده در یک غشای نیمه‌تراوا یا توده‌ای همگن است. هیدروژل‌ها، پلیمرهایی هستند که با اتصال عرضی یا کووالانسی به هم متصل شده‌اند و توانایی جذب آب بالایی دارند. در کپسوله کردن سلول‌ها بیشتر ازداربست‌های هیدروژلی استفاده می‌شود. پلیمرهای طبیعی کلاژن و ژلاتین توانایی تشکیل هیدروژل دارند.

مزایای استفاده از داربست متخلخل پیش‌ساخته

استفاده از این روش برای ساخت بافت مهندسی شده مزایا و معایبی دارد که در جدول زیر بررسی می‌کنیم.