تکوین و تمایز سیستم تنفسی(پیچیدگی اپیتلیوم تنفسی)

محققان توسط سلول های خونی بیماران،سلول های بنیادی پایه مجاری تنفسی را بوسیله استفاده از سلول های بنیادی پرتوان القایی ایجاد کرده اند. سلول های پایه راه هوایی،سلول های بنیادی مجاری تنفسی شناخته می شوند زیرا می توانند در پاسخ به آسیب ، اپیتلیوم مجاری تنفسی را بازسازی کنند. در روند تکوین سیستم تنفسی اول باید اندودرم شکل بگیرد. سپس به آنتریور و پستریور تبدیل شود و اندودرم ریه می شود.

جنین شناسی ریه انسان

در تصویر سمت چپ برای شکل گیری ریه در انسان در هفته 8 ام 2 ته کیسه شکل می گیرد. یکی از آنها به سمت سیستم گوارشی و مری پیش می رود و دیگری به سمت ریه ها می رود. در 16 هفتگی ته کیسه ی ریوی خود به 2 ته کیسه تبدیل می شود و رفته رفته بیشتر می شوند و مجاری هوایی را شکل می دهند و بعد از 36 هفته تا بعد از تولد که بلوغ ریه ها اتفاق می افتد ادامه دارد. (در انسان تا 2 سالگی هم بلوغ سلول های ریوی ادامه دارد)

پاسخ به آسیب ریه توسط سلول های بنیادی

در تصویر سمت راست در زمان آسیب ریه اولین پاسخی که ایجاد می شود فعال شدن سلول های بنیادی در خود بافت ریه است که این سلول های درون زا یا پروجنیتور ها یا پری پروسر ها یا سلول های پیشتاز بافت ریه در 5 نقطه تا الان دیده شده اند. (شاید جایگاه های دیگری هم باشد اما تاکنون شناسایی نشده است). یک دسته از این سلول ها در نای و در محل 2 شاخه شدن آن قرار دارند و با نام (SMGdark(submucosa ground dark قرار دارند. انواع مختلفی از سلول های غیر تمایزی را ایجاد می کنند که بعد از بلوغ و تمایزشان انواع سلول های سروزی، موکوزی، گابلت سل ها، سلول های جمع آوری کننده مجاری، سلول های مژه دار و سلول های بازال و اپی تلیال سل ها را شکل می دهند.

سلول های بنیادی بازال سل (basal cell)

در محل دو شاخه شدن نای و اتصال آن ها به برونش ها یک سری سلول داریم که سلول های بنیادی هستند و تحت عنوان بازال سل اند و پیش ساز سلول های بازال زا شکل می دهند که بعد ها به کلاب سل ها ، گابلت سل ها، کریئیت سل ها تمایز می یابند.

محل سوم حضور این سلول ها در برونش ها و دیگری در برونشیول ها است. یعنی در این دو جا ما یک نوع سلول تحت عنوان (NEB(NroEpitelial Boronshial Cells داریم که انواع مختلفی از کلاب سل ها را ایجاد می کنند.

دسته دیگری از سلول های بنیادی ریه هم در محلی به نام Boroncoalveolat conjanctional یعنی محل اتصال برونشیول ها با آلوئول ها که به آنها Broncoalveolar stem cell گفته می شود. این سلول ها در بلوغ و تمایز کلاب سل ها، گابلت سل، سریئیتید ها تیپ I و II آلوئولی نقش دارند.

محل دیگر حضور این سلول ها در خود آلوئول ها هستند و تحت عنوان سلول های تیپ II آلوئولی می باشند که قابلیت تبدیل شدن هم به تیپ II و هم تیپ I را دارد.

مطالعه مقاله ای در ارتباط با اصطلاحات سلول بنیادی

سلول بنیادی و تمایز به سمت سلول تنفسی (ریوی)

سیستم های کشت سلول

1)استاتیک

دو بعدی: کشت سلول در ظروف کشت،

معایب: رشد تک الیه و محدودیت در تعداد سلول ، قطبیت دارند و به کف ظرف می چسبند و زمان بر است.

سه بعدی: کشت سلول بر روی داربست، داربست هایی با منشاء طبیعی، داربست های مصنوعی یا سنتتیک ( پلیمر) ، داربست های آسلولار بافتی

2)دینامیک

سه بعدی: کشت سلول در بیوراکتور (به صورت پرفیوژن)، شبیه سازی شرایط بدن و رفتار با سلول مشابه به حالت طبیعی، اعمال و کنترل تنش و فشار های گوناگون مکانیکی، کششی و شیمیایی  (مانند اکسیژن، مواد مغذی، PH، …)، رفع محدودیت تعداد سلول (کشت و تولید در مقیاس نیمه صنعتی و صنعتی)، کنترل آلودگی با سیستم های کاملا بسته

انواع روش های سلول بنیادی و تمایز به سمت سلول تنفسی

• تزریق مستقیم سلول بدون تمایز: زمان بر است چون اگر در آزمایشگاه بالغ شوند و بعد پیوند شوند سریع تر کار می کنند اما علما در این موضوع بحث دارند.
• فاکتور های شیمیایی و هم کشتی
• دستکاری های ژنتیکی
• تحریک فیزیکی
• تحریک مکانیکی

تحریک مکانیکی و فیزیکی خیلی برای ریه استفاده نشده اند و بیشتر از فاکتور های شیمیایی استفاده می شود.

فاکتور های شیمیایی و هم کشتی

به منظور افزایش تمایز از فاکتور های رشد مختلفی استفاده می شود این فاکتور ها شامل:

• اکتیوین و IDE1,2 ( تولید اندودرم). IDE1,2 از خانواده GGFB هستند. سنتتیک است اما اکتیوین طبیعی است. از کورتون و دگزامتازون و هیدروکورتیزون و … برای بلوغ و تمایز سلول ها استفاده می شود.
• Wnt3a و اسید رتیونیک
• اعضای خانواده BMP و اعضای خانواده FGF (در تولید و تمایز سلول های ریوی بسیار مهم است)
• هم کشتی با سلول های دیگر مثل مزانشیم ریه جنین با استفاده از عصاره سلول های سرطانی A549 و سلول های اپیتلیالی MLE-12

سلول های بنیادی به سمت سلول های پروجنیتور ریوی

از روز سوم پس از لقاح می توانیم سلول جنینی را برداریم اگر با اکتیوین مجاورت دهیم دیفینین اندودرم را در آزمایشگاه می توانیم تولید کنیم. تقریبا روز 6 تا 7 جنینی می شود. سپس از مهارکننده ای TGFBو NOGGIN استفاده می کنند آنتریور اندودرم شکل می گیرد که مصادف با روز 9 ام جنینی است. اگر با فاکتور های مربوط به مسیر سیگنالینگ WNT ، BMP، FGF مثل FGF ،KGF و هپارین و … سلول ها را مجاور کنیم. فاکتور های مهم سلول های اندودرمی ریه NKX2,1 است در روز 10 ام جنینی تولید می شود که مصادف با روز 14 ام در شرایط آزمایشگاهی است. سپس اگر با FGF2 و FGF10 سلول ها را مجاور کنیم در روز 15 جنینی و 25 آزمایشگاهی انواع سلول های پیش ساز جنینی را خواهیم داشت. شفاکتور های خانواده فیبروبلاست ها هم در تمایز مهم اند.

روش های پیوند سلول های بنیادی در آسیب های تنفسی (ریوی)

پیوند داخل وریدی

پیوند داخل نایی

بهترین روش مستقیما وارد نای می شود.

پیوند مستقیم داخل پارانشیم

با جراحی همراه است.

پیوند داخل پرده جنب

در بعضی از مطالعات در 12 روز سلول های پیش ساز ریه تولید می شوند. سلول های جنینی موش را طی 6 روز به Definitive Endoderm تبدیل کرده و بعد به تا روز 12 به آلوئولار تیپ II تبدیل می شوند. به خاطر گران بودن فاکتور های مهم در تمایز ما نیز تنها از دو مرحله استفاده می کنیم.

ارزیابی اثرات درمانی پیوند خودی سلول های بنیادی مغز استخوان در التهاب حاد ریه در خرگوش و گوسفند

اخذ و جداسازی و تکثیر سلول های بنیادی

ایجاد مدل تجربی التهاب ریه با لیپو پلی ساکارید باکتری ایکلای

تزریق داخل نایی سلول های بنیادی

بررسی بالینی و نمونه گیری و آزمایشات پاراکلینیکی

نقش مهندسی بافت در بازسازی آسیب های تنفسی (ریوی)

هدف مهندسی بافت تنفس استفاده از سازه های تنفسی و سلول ها در دستگاه تنفسی آسیب دیده جهت تسهیل تهویه از طریق راه های هوایی و پرفیوژن عروقی و به دنبال آن افزایش عملکرد تنفسی است.

داربست ها و ساختار های سه بعدی بافت تنفسی (ریه)

داربست هایی با منشاء طبیعی

کلاژن: کشت سه بعدی سلول بر روی ماتریکس کلاژن همراه با فاکتور رشد مناسب سبب شکل گیری ساختار کیسه ای شبیه آلوئول

ژلاتین: ژل فوم (اسفنج متخلخل بر پایه ژلاتین به عنوان ماتریکس) = میزان پایین پاسخ التهابی موضعی، حضور گرافت مشتق از سلول های اپیتلیال و اندوتلیال و شکل گیری عروق جدید

هیدروژل ها مثل ماتریژل و ژل کلاژن نوع I : منجر به شکل گیری سه بعدی ارگان و مورفوژنز سلول های ریه و حفظ تمایز سلول های اپیتلیالی

داربست های مصنوعی یا سنتتیک (پلیمر)

پلی لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید( PLGA ): پیوند همراه با سلول بنیادی مشتق از چربی سبب بهبود رشد ناحیه حذف شده در جراحی، بازسازی آلوئولی و عروقی

عیب این نوع داربست:

1. خواص تمایزی، پایین است که با استفاده از استراژی های اصالح سطح مانند ادغام و یا اتصال دومین های پپتیدی می توان خواص تمایزی را افزایش داد
2. واکنش بدن به آنها به عنوان جسم خارجی، استفاده از مواد طبیعی مثل هیدروژل ها می تواند تا حدی بر این مشکل غلبه کند.

داربست های آسلولار بافت تنفسی

❖ آسلولار کردن ریه توسط ترکیبی از محلول های دترجنت لیزکننده هیپوتونیک از طریق پرفیوژن یا انتشار

❖ آسلولار کردن بافت آسلولار شده ریه با انواع مختلف سلول های اتولوگ

❖ پیوند ریه آسلولار شده همراه با سلول های بنیادی سبب شکل گیری ساختار جدید با مورفوژنز و بیان پروتئین های مارکر های اختصاصی و تمایز به سلول های اپیتلیالی آلوئوالر تیپ I و II بالغ، بهبود تبادل گاز و رگزایی می شود

عیب این نوع داربست:

باقی ماندن حدود 8 درصد از کل DNA در ریه آسلولار شده که سبب برانگیخته شدن سیستم ایمنی می شود

بررسی نکردن طولانی مدت عملکرد این نوع داربست ها

در دسترس نبودن ریه سالم برای آسلولار کردن

سیستم بیوراکتور

یک سیستم بسته است که یک پمپ دارد که از یک طرف مواد را وارد می کنند و از طرف دیگر مواد با شیلنگ خارج می شوند.

• انواع بیوراکتور های ثابت، چرخشی، پیستونی و .. داریم.
• شرایطی مشابه شرایط بدن را فراهم می کنند که می توانیم شرایط درون آن را مثل اکسیژن، مواد مغذی، کربن دی اکسید و پی اچ و … را تغییر دهیم.
• طراحی بیوراکتور برای ریه دارای مشکل است زیرا نیاز به پرفیوژن مستقل هوایی و انشعابات عروقی همراه با توانایی تهویه ریه های مهندسی شده جهت تست مکانیکی و تهویه می باشد
• از بیوراکتور پرفیوژن چرخشی برای تمایز سلول های بنیادی جنینی موش در آلژینات و با محیط کشت سلول A549 استفاده شده است که منجر به تمایز 50 درصد سلول ها به سلول های آلوئولی تیپ II شد.
• اتولوگ یعنی از یک حیوان سلول گرفته به خودش پیوند میزنیم.
• ریه را با سالین نرمال شست و شو می دهیم تا خون در آلوئول ها تخلیه شود.

منابع

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31898791/

https://www.eurostemcell.org/lung-stem-cells-health-repair-and-disease