مهندسی بافت (Tissue Engineering)

مهندسی بافت استفاده از ترکیبی از سلول ها، روش های مهندسی مواد و عوامل بیوشیمیایی مناسب برای بهبود (ترمیم) یا جایگزینی بافت های بیولوژیک است. برای افزایش موفقیت مهندسی بافت، باید محیطی مشابه با شرایط موجود زنده فراهم نمود تا رشد و فعالیت سلول به طور طبیعی انجام شود.

ویژگی های محیط مشابه با شرایط موجود زنده

این محیط فاکتور های فیزیکی و شیمیایی بسیاری را شامل می شود که به بر هم کنش های فیزیکی (ماکرومولکول های نامحلول مثل کلاژن)، شیمیایی (ماکرومولکول های محلول مثل سایتوکاین ها) و بر هم کنش سلول-سلول و پروتئین با سلول های مجاور تقسیم می شوند. دانشمندان از سال ها قبل قادر به کشت سلول ها در خارج از بدن بودند، ولی فناوری رشد شبکه های پیچیده و سه بعدی سلولی برای جایگزینی بافت آسیب دیده اخیرا توسعه یافته است.

ساخت بافت به شیوه های مهندسی

بر اساس تعریف برای ساخت یک بافت به شیوه های مهندسی، نیاز به طراحی یک داربست با ساختار فیزیکی مناسب با امکان چسبندگی سلول
ها به آن، مهاجرت سلولی، تکثیر سلولی و تمایز سلولی و در نهایت رشد و جایگزینی بافت جدید است.

داربست ها و ساختار های سه بعدی

سلول ها به تنهایی یک بافت دارای عملکرد را تشکیل نمی دهند و اجزا دیگری مثل سوبسترا و ماتریکس خارج سلولی نیاز است. ماتریکس خارج سلولی خصوصیات ریزمحیطی، حمایت مکانیکی و هدایت ساختاری را امکان پذیر می کند و به صورت یک داربست عمل می کند تا سلول ها رشد و عملکرد داشته باشند. داربست ها محیط سه بعدی را ایجاد می کنند که سلول ها در آن کشت می شوند. وظیفه مهندسی بافت، بهینه کردن داربست با سیستم های مناسب جداسازی، تکثیر و تمایز سلول های مورد نظر است تا بتواند رشد سه بعدی و هماهنگ بافت را پیش برد. مواد زیستی با منشاء طبیعی و مصنوعی هر دو در پزشکی ترمیمی و مهندسی بافت نقش مهمی به عهده دارند. این ترکیبات سبب تولید ریزمحیطی مشابه ماتریکس خارج سلولی بافت شده و تمایز و تشکیل بافت هدف را هدایت می کنند.

خصوصیات داربست ها و ساختار های سه بعدی

از نظر قدرت مکانیکی مشابه بافت بدن

عوامل موثر بر خواص مکانیکی داربست اندازه و درصد تخلخل، روش ساخت داربست و خواص مواد تشکیل دهنده

زیست سازگار (Biocompatible)

از نظر زیست سازگاری مواد بیولوژیکی به سه دسته خنثی، قابل جذب و زیست فعال تقسیم ذمی شوند. (آیا بدن پس از پیوند آن را جسم خارجی تلقی می کند و پیوند را پس میزند یا نه)

زیست تخریب پذیر (biodegradable)

تخریب داربست بر اساس مکانیسم های تخریب زیستی، هیدرولیز (فرسایش زیستی) و جذب زیستی صورت می گیرد. (داربست باید بعد از تشکیل بافت تخریب شود)

مدت زمان تخریب داربست تعیین کننده طول عمر آن است، به طوری که عمر داربست بایستی کمی طوالنی تر از مدت زمان ترمیم بافت باشد، به عبارتی سرعت تشکیل بافت سریع تر از سرعت تخریب داربست باشد.
عوامل مختلفی بر سرعت تخریب داربست اثر می گذارند که برخی آنها عبارتند از ترکیبات شیمیایی ساختار فضایی، شرایط محیطی،مورفولوژی (همچون درصد تخلخل) افزودنی ها، وزن مولکولی

• داشتن درصد تخلخل : داربست های مهندسی بافت دارای شبکه متخلخل به هم پیوسته هستند تا تغذیه سلول، دفع ضایعات سلولی به خارج از داربست، رگزایی و… فراهم شود.
• توانایی فراهم آوردن سیگنال های شیمیایی مناسب جهت رشد بافت و ممانعت از واکنش های ایمنولوژیک
• داشتن توانایی تاثیر بر روی ژ ن های سلول های بنیادی، جهت افزایش تکثیر و تمایز در ترمیم بافت
• داشتن اندازه و شکل مناسب برای جایگزینی در بافت هدف
• نداشتن سمیت
• قابلیت استریل شدن (قبل پیوند باید بتوان داربست را استریل کرد وگرنه خود داربست در بدن تبدیل به منشا آلودگی و عفونت می شود)

نقش مهندسی بافت در بازسازی آسیب های قلبی

هدف مهندسی بافت قلب استفاده از سازه های بافتی و سلول ها در قلب آسیب دیده و به دنبال آن بهبود عملکرد قلب از طریق ضربان خودکار، ارتباط با عروق میزبان و جفت شدن الکتریکی با میوکارد و نهایتا ایجاد نیرویی تا عملکرد قلب نارسا را افزایش دهد.
عدم وجود یک سن سیشیوم که سلول های پیوند شده بتوانند در آن ها ثابت شوند و تکثیر یابند، یکی از دلایل تاثیر کم آنها در مطالعات پیشین بوده است.
به همین دلیل اخیرا چندین بیومتریال مانند ماتریکس قلب طبیعی و نانو الیاف پپتیدی معرفی شده است تا سلول های پیوند شده در شبکه سه بعدی حفظ و تکثیر شوند و روند ترمیم ضایعه سربعتر و بهتر رخ دهد.
داربست های مهندسی بافت قلب باید متخلخل و قابل تزریق و برای پیش برد آنژیوژنز طراحی شوند تا اکسیژن رسانی را فراهم کنند.
(گاهی اوقات قلب طبیعی را آسلولار می کنند و سلول های جدید را روی آن می آورند و سپس آن را پیوند می زنند. زمانی که بیشتر بافت قلب از بین رفته، اضافه کردن سلول به قلب موثر واقع نخواهد شد بلکه باید قلب ساخته شده به کمک مهندسی بافت را استفاده کنند)

مطالعه بیشتر در درمان بیماری های قلبی از طریق سلول تراپی

داربست ها و ساختار های سه بعدی بافت قلب

هدف ما از مهندسی ژنتیک این است که بتوانیم ساختاری ایجاد کنیم که روی این داربست های سلول جدید ایجاد شده قرار دهیم و آن را به بدن فرد منتقل کنیم و این ساختار عملکردی شبیه همان ساختار طبیعی در بدن فرد داشته باشد.

داربست هایی با منشاء طبیعی

هیدروژل های طبیعی مثل کلاژن و ماتریژل: سبب تمایز سلول به کاردیومیوسیت، رگزایی در بافت پیوند زده شده و اتصال به عروق میزبان و بهبود جفت شدگی الکتریکی در بافت پیوند شده

در دمای محیط مایع هستند و در دمای بدن به ژل تبدیل می شوند و به ما کمک می کنند تا سلول های جدید قلبی ایجاد شده راجایگزین کنیم.
کیتوزان: افزایش بیان ژن های قلبی بر روی این نوع داربست

داربست های مصنوعی یا سنتتیک (پلیمر)

پلیمرهای سنتزی مثل پلی گلیسرول (PGS) و پلی اکریل آمید: پیوند داربست شبه آکوردئونی از جنس پلی گلیسرول همراه با کاردیومیوسیت سبب گرافت های قلبی انقباضی با ویژگی های مکانیکی بسیار مشابه بطن راست طبیعی رت می شود.
عیب این نوع داربست ها: عدم رسانایی الکتریکی که سبب می شود ارتباطات سلول-سلول و هماهنگ سازی قلب کاهش یابد.
برای افزایش رسانایی این نوع داربست ها از نانوسیم های طلا در ساخت داربست آلژیناتی استفاده کرده اند که نتایج نشان داد نانوسیم طلا میزان بیان و سازماندهی کانکسین 43 (پروتئینی که در جفت شدن الکترکی- مکانیکی و ارتباطات بین سلول ها نقش دارد) را بهبود بخشید و تحریک الکتریکی سلول ها را ایچاد کرد.
ساخت این نوع داربست ها بسیار گران قیمت است اما همیشه برای پیشرفت علم باید از قید و بند مسائل مالی رها شویم.

داربست های آسلولار بافت قلبی

سلول زدایی کردن بافت قلب طبیعی یک روش مناسب برای ایجاد اجزا ساختاری و خارج سلولی قلب در In vitro است.

• استفاده از 1%SDS و ترکیبات دیگر برای سلول زدایی
• ایجاد یک قلب متشکل از دیواره های نازکی از ماتریکس قلب طبیعی که ساختار میکروسکوپی و ماکروسکوپی آن حفظ شده و سپس سلول
  نشانی کردن آن
• استفاده از این داربست ها روند ترمیم را بهبود می بخشند و سبب افزایش عملکرد قلب می شوند و به عنوان ابزار تحویل سلول مطرح هستند.

آسلولار کردن کامل یا قسمتی از بافت قلب

با روش های مختلف از جمله ازبین بردن DNA سلول های قلبی انجام پذیر است. ابتدا قلب را آسلولار می کنند و سپس به کمک تکنولوژی های سلول های بنیادی قلب را ریسلولار (دوباره بافت را دارای سلول جدید و سالم کردن) می کنند و آن را پیوند می زنند. لازم نیست که همه ی بافت قلب آسلولار شود، می توان قسمتی را آسلولار کرد و بعد پیوند زد اما پیوند سخت است و ممکن است در صورت رد پیوند خونریزی های شدید رخ بدهد (در بحث پیوند قلب جدید مشکل همین است که در اینجا اگر پیوند پس بزند به علت تخریب قلب توسط سیستم ایمنی خونریزی های شدیدی به دنبال دارد) در مرحله ریسلولار کردن بافت قلب، سلول های بنیادی را یا تمایز می دهیم یا بدون تمایز (مثال سلول های مزانشیمال) در قلب جایگذاری می کنیم.

بهترین حالت از جهت کارایی و جلوگیری از رد پیوند : قلب کامل آسلوالار شده ، سلول های بنیادی جایگذاری شده کامل تمایز یافته به کاردیومیست ها و در نهایت پیوند قلب است.

درمان ترمیم محور بیماری های ریوی (Cell-Based Regenerative Medicine for Lung Disease)

• ریه ساختار پیچیده با انشعابات فراوان مجاری هوایی و میلیون ها آلوئول
• ریه بزرگترین سطح بدن که در تماس مستقیم با محیط
• انتقال 10000 لیتر هوا در 24 ساعت توسط مجاری ریه

ترمیم ریه (Pulmonary Regeneration)

ریه دائما در معرض با آلاینده ها و عوامل عفونی← علیرغم سد های دفاعی، دستگاه تنفسی در معرض آسیب ← آسیب به سلول های ساختاری (اپیتلیوم و اندوتلیوم) ← جبران سلول های ساختاری توسط سلول های پیش ساز درون زاد
در اثر آسیب شدید اختلال در فعالیت سلول های پیش ساز ریه← کمترین جایگزینی در سلول های اپیتلیالی و اندوتلیالی ← اختلال در بازسازی ریه

ساختار های ترمیم (regenerative) و سیستم ایمنی ریه برخلاف بسیار قوی است و دستگاه تنفسی سه سد دفاعی مهم دارد:

1فیزیکی .2 ترشحی .3سلولی

اما وقتی عامل یا عوامل آلودگی زیاد باشند، آسیب های مختلفی می توانند به ریه وارد کنند. بافت ریه از سلول های مختلفی تشکیل شده که در شکل می بینید شامل : گابلت سل، بازال سل، سلول های اپیتلیال دیواره لوله های تنفسی، سلول اندوتلیال عروق، کلارا سل، سلول های سروزی، سلول های موکوزی و…

درمان سلول بنیادی در بیماری ریه (Stem Cell Therapy in Lung Disease)

به خاطر پیچیدگی های بافت ریه و تنوع سلولی آن، آخرین بافتی است که روی آن کار شده به طوری که تاریخچه سلول درمانی و سلول بنیادی درمانی در ریه نهایتا با 10 الی 15 سال قبل باز می گردد در صورتی که همین مطالعات درباره قلب تاریخچه ای 60-50 ساله دارد.
هنوز برای انسان در مبحث ریه، درمان سلول بنیادی (therapy cell stem) و حتی سلول درمانی های (therapy cell) عملی و استاندارد و تایید شده وجود ندارد و آن هایی که گاها می شنویم صرفا یکسری کار های تایید نشده و بعضا غیر قانونی هستند.

جنین شناسی

مدتی بعد از لقاح موفق بین تخمک و اسپرم بلاستوسل ها شکل می گیرند که بر اساس تقسیمات آن سه لایه اکتودرم، مزودرم، اندودرم تشکیل می شود. هر چند می دانیم که در ابتدا مزودرم و اندودرم یکی اند و سپس از هم جدا می شوند. سپس از اندودرم سه قسمت foregut ،midgut ،hindgut شکل می گیرد. ابتدا قسمت پروگزیمال دستگاه تنفسی و سپس قسمت دیستال آن از foregut منشا می گیرند. در موش در 12.5 روزگی ریه ها شکل می گیرند. سلول های مارکر بافت ریه، سلول های ریوی تایپ 1 و 2 هستند.

از یک طرف اختلال در بازسازی آسیب های ریه از طرفی دیگر درمان ناپذیر بودن تعدادی از بیماری های ریه (فیبروز کیستیک و فیبروز ریوی اپدیوپاتیک و …)

تنها انتخاب برای بقاء پیوند

قرار گرفتن بیماران در لیست انتظار (کمبود دهنده ریه)

مرگ %50 افراد گیرنده بعد از 5 سال

مشکلات مربوط به سرکوب سیستم ایمنی تا آخر عمر

استراتژی برای درمان بیماری های ریوی که بتوانند:

• جایگزین سلول های اپیتلیال آسیب دیده شود.
• از بازسازی درون زاد و تغییر در تعادل سلول ها از بازسازی سلول های آسیب دیده به سلول های نرمال حمایت کند
• به درمان بیماری های ریوی کشنده کمک کند ← روش سلول درمانی و استفاده از سلول های تمایز یافته است.

تکوین اولیه سیستم تنفسی پستانداران

تشکیل بافت تنفسی (ریه) در جنین مهره داران تز هفته شش بارداری، شروع می شود و بالغ شدن آن تا ماه ها بعد از تولد هم ادامه دارد. ریه در مسیر تکوین از اندودرم مشتق و شکل می گیرد.

تکوین و تمایز سیستم تنفسی

توده سلولی داخلی (ICM) ← اندودرم قطعی← اندودرم Foregut ← اندودرم تنفسی (قسمت قدامی اندودرم Foregut) ← شکل گیری سلول های پیش ساز تنفسی

تمایز و کنترل مولکولی تکوین بافت تنفسی (ریه)

اگر مسیر FGF به صورت بالقوه فعال نباشد و هم چنین مسیر های TBG (شبیه این) مهار نشده باشند. سلول های اندودرم به سمت تمایز به سلول های تیروئیدی کشیده می شوند. سلول های پیش ساز موجود در ریه در قسمت های مختلف ریه قرار دارند. عیبی ک وجود دارد این است که برداشت این سلول ها بسیار تهاجمی است (مثل جراحی)

در بیماری ARDS (یا همان ALI) یا هر بیماری که مرحله اول آن التهاب ریه است. ثابت شده ا ست که سلول های مزانشیمال در جلوگیری از مرحله التهاب می توانند بسیار موثر باشند.

در این فرآیند تمایزی پیچیده مسیر های پیام رسانی متعددی درگیر هستند این مسیرها شامل:

• مسیر سیگنال FGF
• مسیر سینگال PMP
• مسیر سیگنالینگ WNT/B-Catenin
•  مسیر سیگنال RA
• مسیر سیگنال SHH) Hedgehog)
• مسیر سیگنال Notch
• مسیر سیگنالینگ a2/2W

توضیح شکل:

بعد از این که توده داخلی شکل گرفت، ابتدا باید مزودرم و اندودرم شکل گیرند. اکتودرم که مجزا شکل می گیرد اما اندودرم و مزودرم ابتدا یکی هستند (mesoendoderm) سپس به صورت مجزا از هم تشکیل می شوند و سپس endoderm definitive شکل می گیرد (از mesoendoderm شکل می گیرد) که برای تشکیل آن باید پروتئین اکتیوین فعال شود.

برای تشکیل مزودرم از مزواندودرم عالوه بر پروتئین اکتین باید 4BMP و Wnt هم فعال شود.
برای تشکیل اکتودرم از mass cell inner باید مسیر های سیگنالینگ 4BMP و Activin و Wnt بلاک شوند.
برای تبدیل mass cell inner به سلول های مزواندودرم باید اکتیوین فعال شود. برای شکل گیری قسمت جلویی (anterior) اندودرم از endoderm definitive باید مسیر های 4BMP و B-TGF مسدود شوند. مارکر های اختصاصی قسمت جلویی اندودرم 2foxA+ و 2sox+ هستند. سپس از قسمت جلویی اندودرم به کمک مسیر های سیگنالینگ Wnt و FGF و EGF و BMP، قسمت فوقانی شکمی foregut ایجاد می شود. در واقع همان اندودرم ریه است و مارکر اختصاصی اندودرم ریه در دوران جنینی 2,1Nkx است.
بعد از تشکیل اندودرم ریه مسیر سیگنالینگ FGF باید به طور بالقوه فعال شود تا از اندودرم ریه، پیش ساز های ریوی تشکیل بشوند و اگر این مسیر سیگنالینگ به طور بالقوه فعال نشود، اندودرم ریه به سمت تشکیل بافت هایی نظیر تیروئید و تیموس و .. می رود.
در ادامه اگر مسیر های سیگنالینگ MAPK و Wnt مهار و مسیر های سیگنالینگ 7FGF و 7BMP و RA و Noggin فعال شوند سلول های پروگزیمال ریه شکل می گیرند.
برای بلوغ ریه و تشکیل سلول های اپیتلیالی آلوئول ریه از سلول های پیش ساز ریوی باید مسیر های سیگنالینگ dexamethasone و Camp و IBMX و 7FGF یا با اسم دیگر KGF فعال شوند.

انواع سلول های بنیادی مورد استفاده در ترمیم ضایعات تنفسی (ریوی)

ویژگی های یک منبع ایده آل برای سلول های بنیادی مورد استفاده در بیماری های ریوی

• جمع آوری آسان
• امکان تکثیر
• عدم تحریک پاسخ های ایمنی
• مقاومت در مقابل شرایط آسیب دیده ریه
• توانایی تمایز به سلول های دارای عملکرد ریوی

مطالعه روی سلول های مزانشیمال برای بیماری های ریوی بخاطر در دسترس بودن این سلول ها بسیار گسترده در حال انجام است. هنوز منبع کاملی وجود ندارد که تمام ویژگی ها را با هم داشته باشد.

منابع سلولی مانند قلب است با این تفاوت که در قلب از کاردیو استم سل ها استفاده می شود اما در ریه ها از لانگ استم سل استفاده می شود.

سلول های بنیادی جنینی

مزایا

توانایی تبدیل به انواع سلول ها چه در بدن چه در آزمایشگاه، تکثیر و تزاید زیاد (مفید رد شرایط آزمایشگاهی اما در بدن منجر به سرطان می گردد)، نسبت به سلول های مزانکایمال دیرتر پیر و فرسوده می شود (مزانکایمال ها نهایتا تا 20 تا 30 پاساژ)

عیب

محدودیت مشکلات اخلاقی و ایمنولوژیکی

سلول‌ بنیادین پرتوان القایی Inducted pluripotent stem cell (IPS)

برای رفع عیوب سلول های جنینی به وجود امده اند. 4 ژن را به وسیله وکتور های ویروسی به سلول های فیبروبلاستی وارد می کنند و آنها را یک مرحله به عقب می رانند و تبدیل به امبریونیک استم سل ها می کنند یعنی شبیه سلول های جنینی اند. با این حال مزایای سلول های جنینی را دارند و حتی از فرد بیمار هم می توان آن را بدست آورد.

عیب

شاید فرد بیمار فرصت تهیه سلول ها از بدنش را نداشته باشد و نتوانیم در آزمایشگاه سلول ها را تکثیر دهیم و برای درمانش استفاده کنیم.

LSCS

از قسمت های مختلف ریه با جراحی (با باز کردن قفسه سینه و زمان بر است) برداشته می شوند و در آزمایشگاه تکثیر داده و به فرد پیوند زده می شوند.

EPCS

پیش ساز سلول های اندوتلیالی هستند (در قلب هم سلول های مخصوص خودش استفاده می شود.)

(Tissue Adipo(AD), marrow Bone(BM

بسیار از این سلول ها استفاده می شود.از بافت های مختلفی مثل مغز استخوان و بافت چربی گرفته می شود. در مقایسه با سلول های جنینی طول عمر کمتری دارند.

USCs

سلول های بنیادی بند ناف یا خون بند ناف هستند و اثرات پاراکرینی در ترمیم و تکثیر سلول های ریه نقش دارد.

منابع

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

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

Godoy-Parejo C, Deng C, Zhang Y, et al. Roles of vitamins in stem cells (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31676963/). Cell Mol Life Sci. 2020 May;77(9):1771-1791. Accessed 3/22/2023.

Alatyyat SM, Alasmari HM, Aleid OA, et al. Umbilical cord stem cells: Background, processing and applications (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32746993/). Tissue Cell. 2020 Aug;65:101351. Accessed 3/22/2023.