مهندسی بافت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

مهندسی بافت (به انگلیسی: Tissue engineering) 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 اخیراً 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[ویرایش]

اولین بار در سال ۱۹۰۰ الکسی کارل واژهٔ 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 زمینهٔ 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، اخیراً میسر شده است.

روش کار[ویرایش]

ايده اي که درپس مهندسي بافت قراردارد ساخت دو نوع اتوگرافت مهندسي است، يکي با رشد دادن سلولهاي خود شخص در محيط آزمايشگاه که بر روي يک داربست انجام می شود 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.[۱]

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 الزاماً داربست تخریب شده و بافت جدید جایگزین آن می‌شود ولی در بافت‌های سخت، می‌توان از موادی بهره گرفت، که لزوماً تخریب پذیر نباشند.

سلولهاي کشت شده ميتوانند سلولهاي ويژه آن بافت و يا سلولهاي بنيادي باشند. امروزه سلولهاي بنيادي يکي ازجذابترين زمينه هاي تحقيق در علم زيست شناسي ميباشند که دليل آن را ميتوان در ويژگيهاي خاص اين سلولها جستجو کرد. در حقيقت سلول بنيادي سلولي با ويژگي خاص است که توانايي خودنوزايي و تمايز به انواع سلولهاي ديگر را داراست اين خاصيت سلولهاي بنيادي امکان استفاده از اين سلولها را در پزشکي ترميمي يا سلول درماني فراهم ميکند و به اين دليل اين سلولها در مهندسي بافت به ميزان زيادي مورد توجه قرار گرفته اند.[۲]

مهمترين نگراني براي هر کاربرد مهندسي بافت، ايمني بيمار است. مواد توده و مواد حاصل از تخريب يک داربست بايد زيست سازگار و قابل پاکسازي و حذف به وسيله بدن باشند. به همان اندازه نيز مهم است که فرآيندي که براي شکلدهي انتخاب مي شود، بر روي زيست سازگاري و زيست تخريب پذيري مواد اوليه داربست اثر منفي نگذارد. وظيفه عمده يک داربست هدايت رشد و مهاجرت سلولها از بافتهاي مجاور به سمت موضع معيوب يا تسهيل رشد سلولهاي کاشته شده بر روي داربست پيش از پيوند مي باشد. مطلوب است که سطح از نظر شيميايي براي چسبندگي و تکثير سلولي مساعد باشد. قطر بالاي حفرات و ارتباط زياد حفرات  براي تشکيل بافت و انتقال مواد مغذي و پسماندهاي متابوليک ضروري است. هر چه تخلخل و قطر حفرات افزايش يابد، منجر به افزايش

نسبت سطح به حجم داربست يا به عبارتي سطح بيشتر براي چسبيدن سلولها ميشود.[۳]

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[ویرایش]

به طور کلي فلزات، سراميکها، پليمرها و آلياژ و کامپوزيت اين مواد در مهندسي بافت استفاده مي شوند.فلزات داراي استحکام مکانيکي بالايي بوده و در برابر تنش هاي تک بعدي مقاومت مناسبي نشان مي دهند. ولي از طرفي فلزات در برابر تنشهاي گوناگون و غير هم محور مقاومت مناسبي نداشته و در اغلب موارد دچار ترک و در نهايت شکست مي شوند. همچنين در بسياري از گزارشها، انتقال يون فلزي از پيوند فلزي به بدن بيمار ديده شده است.[۴]

سراميکها به لحاظ هدايت استخواني، يکپارچگي و در برخي موارد القاي استخواني به عنوان يکي از گزينه هاي عالي جهت پيوند بافت تخريب شده به شمار مي روند. از طرفي سراميکها استحکام مکانيکي مناسبي نداشته و در برابر تنشهاي معمولي نيز رفتاري شکننده دارند. با توجه به اين نکته استفاده از اين مواد به عنوان افزودني در بستر پليمرها به دليل تنوع در خواص، بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند. انتخاب ماده جهت تهيه داربست به ميزان زيادي بستگي به نوع بافت مورد نظر دارد. به عنوان مثال سراميکها و کامپوزيت آنها با پليمرها جهت بازسازي بافتهاي سخت و از پليمرها جهت بازسازي بافتهاي نرم استفاده ميشود.[۲]

به طور کلي پليمرهاي مورد استفاده در مهندسي بافت را ميتوان به دو گروه پليمرهاي طبيعي و پليمرهای سنتزي تقسيم نمود.

تمامي پليمرهاي طبيعي مورد استفاده در مهندسي بافت يا از منابع حيواني استخراج مي گردد يا توسط ميکروارگانيسمها سنتز ميشود. با توجه به اينکه اين پليمرها از منابع حيواني به دست مي آيند از زيست سازگاري مناسبي درون بدن انسان برخوردار هستند.[۵]

سنتز پليمرها با ويژگي و خصوصيات دلخواه باعث شده که اين گروه بزرگ پليمرها در مهندسي بافت مورد استفاده قرار گيرند. با توجه به نوع، کاربرد و نياز، ميتوان پليمري با ويژگي مناسب سنتز نمود.

روش‌های تهیه بافت[ویرایش]

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 داربست های مهندسی بافت یکی از مهم ترین عوامل مؤثر 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[ویرایش]

براي ايجاد بافت جديد در خارج از بدن نياز به يک بستر جهت قرار گرفتن سلول­ها بر آن و تقليد ماتريس خارج سلولي در داخل بدن مي­باشد که اصطلاحاً به آن داربست گفته مي­شود. در مهندسي بافت براي ايجاد بافت سلول بر روي داربست قرار داده شده و مجموعه سلول­ها و داربست در محلول هاي پيچيده­اي از ترکيبات شناخته­ شده (نمک­ها، آمينواسيد­ها و ويتامين­ها) که غالباً اجزاي سرم به آنها اضافه مي­شود و محيط کشت نام دارد، رشد داده مي­شوند. بنابراين داربست مورد استفاده در مهندسي بافت به عنوان تقليدي از ماتريس خارج سلولي نقش مهمي را دارا مي­باشد.[۶]

روش های ساخت داربست[ویرایش]

قالب­گيري محلولي/شستن ذرات[ویرایش]

در اين روش پليمر در حلال خود به طور کامل حل مي­گردد، سپس عوامل ايجاد کننده حفره نظير ذرات نمک، شکر و موارد مشابه (نظير گوي­ هاي پارافيني) درون محلول پراکنده شده و به سپس مخلوط درون قالبي به شکل داربست مورد نظر، ريخته مي­شود. با گذشت زمان حلال به تدريج تبخير مي­شود و داربست مورد نظر به همراه ذرات پراکنده باقي مي­ماند. با توجه به نوع ذره به کار رفته از يک مايع براي شستشو و خارج کردن ذرات استفاده مي­شود.

پس از شستشو در جاي هر ذره يک حفره به جا مي­ماند. يکي از ويژگي­هاي مهم اين روش سادگي آن و عدم نياز به تجهيزات مخصوص براي ساخت نمونه است. ابعاد تخلخل­ها وابسته به ابعاد ذرات پراکنده شده است. داربست­هاي تهيه شده در اين روش داراي حفره ­ها و تخلخل­ هايي هستند که با يکديگر ارتباط دارند و مي­توان تا 90% تخلخل در آنها ايجاد نمود. از محدوديت ­هاي اين روش مي­توان به محدوديت ضخامت mm2-5/0، امکان خارج نشدن کامل حلال و تغيير ساختار پروتئين در آينده به دليل حضور حلال اشاره کرد. دو مشکل اخير را مي­توان با به کارگيري محلول­هاي آلي برطرف نمود.[۷]

روش جدايي فاز با حرارت القايي[ویرایش]

اين روش در تهيه غشاها نيز کاربرد دارد . پليمر در يک دماي خاص (معمولاً درجه حرارت بالا) در يک حلال مشخص حل مي­شود، سپس به سرعت محلول سرد مي­ گردد. فاز جامد حاصل از انجماد حلال به صورت متوالي تصعيد شده و تخلخل ايجاد مي­گردد. ويژگي و ريخت داربست­ هاي تهيه شده در اين روش وابسته به پليمر، حلال، غلظت محلول و دماي جدايي فاز است. اندازه تخلخل ها بين 10 تا 100 ميکرون است و براي کاشت سلول­ هاي استخواني مناسب نيستند. بهبود در خواص فيزيکي و مکانيکي اين داربست­ ها نسبت به داربست­ هاي تهيه شده از روش قالب گيري محلولي مشاهده شده است.[۷]

خشک کردن سرمايشي امولسيوني[ویرایش]

در اين روش پليمر در يک حلال آلي به طور کامل حل مي­شود و سپس اين محلول درون آب ريخته شده و به هم زده مي­شود تا امولسيوني پايدار تشکيل شود. پس از آن امولسيون به سرعت تا دماهاي پايين سرد مي­شود، در همان دما حلال و آب جدا شده و تخلخل ايجاد مي­گردد. عدم ارتباط حفره­ ها با يکديگر، حداکثر درصد تخلخل 90% و اندازه تخلخل­ هاي 20 تا 200 ميکرون از ويژگي­ هاي اين روش است. معمولاً اين روش در ساخت کامپوزيت­ ها کاربرد دارد.[۷]

استفاده از عوامل پف­زا[ویرایش]

اين روش براي توليد فوم نيز کاربرد دارد، به صورتي که تخلخل­ ها به وسيله يک عامل ايجاد کننده حفره توليد مي­شوند. در يک دما و فشار خاص عامل ايجاد تخلخل تبديل به گاز مي­شود و درون پليمر توليد تخلخل مي­کند. در اين روش مي­توان به درصد تخلخل 93 رسيد ولي حفره­ها تا 30 درصد با هم ارتباط دارند، در ضمن سطح نمونه­ ها بدون تخلخل است. اندازه تخلخل­ ها حداکثر 10 ميکرون است. براي رفع اشکال ارتباط حفره­ ها مي­توان اين روش را با روش ذره­ شويي ادغام کرد.[۷]

روش الکتروريسي[ویرایش]

در اين روش محلول يا مذاب پليمري از سر سرنگ در يک ميدان الکتريکي به سمت يک صفحه و هدف مشخص پرتاب مي­شود. در يک ولتاژ خاص حلال موجود در محلول پليمري، در مسير ميدان الکتريکي تبخير شده . الياف متخلخل به دست مي­آيد. در انتها ليف جمع آوري مي­شود و سپس به صورت بافته شده مي­توان از آن به عنوان داربست استفاده کرد. از ويژگي­هاي اين روش مي­توان به توليد الياف در اندازه­هاي ميکروني تا نانو اشاره کرد.[۷]

روش الگوبرداري سريع[ویرایش]

اين روش نوين­ترين و جديدترين روش براي توليد داربست است. در اين روش با استفاده از نرم­افزار شمايي از داربست مورد نظر گرفته شده و مدلي از آن ذخيره مي­گردد. سپس داربست با شکل و ريخت ذخيره شده ساخته مي­شود. تمامي اين موارد با کامپيوتر و نرم ­افزار کنترل مي­گردد. داربست­هاي تهيه شده به اين روش داراي خواص فيزيکي و مکانيکي بسيار عالي هستند ولي درصد تخلخل در اين موارد پايين است.[۷]

  1. «Cell-Extracellular Matrix Interactions - Frontiers in Tissue Engineering - Chapter II. 1». www.sciencedirect.com. بازبینی‌شده در 2018-06-18. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Misra, Superb K.; Valappil, Sabeel P.; Roy, Ipsita; Boccaccini, Aldo R. (2006-08). "Polyhydroxyalkanoate (PHA)/Inorganic Phase Composites for Tissue Engineering Applications". Biomacromolecules (in انگلیسی). 7 (8): 2249–2258. doi:10.1021/bm060317c. ISSN 1525-7797.  Check date values in: |date= (help)
  3. «THE HISTORY AND SCOPE OF TISSUE ENGINEERING - Principles of Tissue Engineering (Second Edition) - CHAPTER 1». www.sciencedirect.com. بازبینی‌شده در 2018-06-18. 
  4. Kim, Byung-Soo; Park, In-Kyu; Hoshiba, Takashi; Jiang, Hu-Lin; Choi, Yun-Jaie; Akaike, Toshihiro; Cho, Chong-Su (2011-02). "Design of artificial extracellular matrices for tissue engineering". Progress in Polymer Science (in English). 36 (2): 238–268. doi:10.1016/j.progpolymsci.2010.10.001. ISSN 0079-6700.  Check date values in: |date= (help)
  5. «Natural Polymers in Tissue Engineering Applications - Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics - 16». www.sciencedirect.com. بازبینی‌شده در 2018-06-18. 
  6. Chaput, Cyril; Selmani, Amine; Rivard, Charles H. (1996-12). "Artificial scaffolding materials for tissue extracellular matrix repair". Current Opinion in Orthopaedics (in انگلیسی). 7 (6): 62.  Check date values in: |date= (help)
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ ۷٫۳ ۷٫۴ ۷٫۵ Liu, Xiaohua; Ma, Peter X. (2004-03). "Polymeric Scaffolds for Bone Tissue Engineering". Annals of Biomedical Engineering (in انگلیسی). 32 (3): 477–486. doi:10.1023/b:abme.0000017544.36001.8e. ISSN 0090-6964.  Check date values in: |date= (help)