آشنایی با مفاهیم پایه در مهندسی بافت

مفهوم مهندسی بافت

همان طور که از نام مهندسی بافت پیداست، ما به دنبال مهندسی کردن بافت های زنده هستیم. بنابراین قبل از هر چیز بایستی دانست منظور از مهندسی چیست و برای تحقق آن چه اطلاعاتی لازم است. تعریف کلی مهندسی در هر شاخه ای از علم آن است که هندسه و در واقع مختصات و ویژگی های هدف مورد نظر شناخته شود و بر اساس آن، طراحی و سپس ساخت انجام گیرد. بنابراین در مهندسی بافت باید بافت مورد نظر به خوبی شناخته شود تا بر اساس خصوصیات مختلف آن مهندسی صورت گیرد. بنابراین در یک جمله می توان گفت "مهندسی بافت یعنی ادای طبیعت را در آوردن (bio-mimicking) و شرایط درون تنی (in vivo) را در بیرون بدن (in vitro) تقلید کردن."

شناخت بافت

بدن انسان دارای ساختاری سلسله مراتبی است و در پایین ترین سطح از واحدهای زنده و مستقلی به نام سلول ساخته شده است، سلول ها بافت ها را تشکیل می دهند، مجموع چند بافت یک ارگان را می سازد و نهایتاً چند ارگان یک دستگاه را به وجود می آورند و بدن مجوعه ای از این دستگاه هاست. اما هر بافت از بدن، خود دارای ساختاری سلسله مراتبی است و از چندین سطح تشکیل شده است که از مقایس ماکروسکوپیک (محدوده سانتی متری) آغاز می شود و تا سطح مولکولی (محدوده نانومتری) ادامه می یابد. کوچکترین سطحی که عملکرد اساسی بافت از آن ناشی می شود را زیرواحد عملکردی (functional subunit) گویند که معمولاً در مقیاس حدوداً 100 میکرومتر است، در حالی که سلول های مختلف اندازه ای در حدود 10 میکرومتر دارند. بنابراین سلول ها در ریزمحیطی (microenvironment) قرار گرفته اند که در مقیاس کوچکتر از آن عملکرد بافت مشاهده نمی شود و اگر بخواهیم شرایط محیط زندگی سلول در بدن را بشناسیم باید درک صحیحی از این زیستگاه (niche) سلول پیدا کنیم و این تمام مفهوم مهندسی بافت است؛ "تقلید کردن ریزمحیط طبیعی سلول با تمام پیچیدگی هایش توسط تکنیک های مهندسی."

 

در ریزمحیط سلول چه خبر است؟

ریزمحیط یا همان محل زندگی سلول، محیطی شلوغ و پر رفت و آمد، با رمز و رازهایی است که هنوز بسیاری از آنها شناخته نشده اند. 

 

 

شکل 1) ریزمحیط سلول؛ زیستگاهی شلوغ و پر رفت و آمد.

 

در میان این شلوغی ها دو عامل مهم بیشتر از همه شناخته شده اند و توجه عمده تحقیقات را به خود جلب کرده اند. یکی از این دو، بستری است که سلول روی آن قرار دارد، چسبیده و پهن شده است، انگار که روی رختخوابی راحت آرمیده است:

 


شکل 2) سلول ها در بدن روی بستری به نام ECM آرام گرفته اند.

 

این بستر را ماتریس برون سلولی (extracellular matrix) یا به طور مخفف ECM می نامند که به طور عمده از پروتئین ها، پروتئوگلایکان ها و پلی ساکارید ها ساخته شده است. دومین عاملی که در تعیین بسیاری از رفتارهای حیاتی سلول نقش دارد، بیومولکول هایی فعالی هستند که در محیط بیولوژیکی اطراف سلول به حالت محلول وجود دارند و سیگنال هایی را به مرکز فرماندهی سلول (هسته) ارسال می دارند و از این طریق رفتار سلول را تحت کنترل دارند. این بیومولکول ها شامل پروتئین های کوچکی چون فاکتورهای رشد و سایتوکان ها، استروئیدها و هورمون ها می باشند که از میان، فاکتورهای رشد (growth factors) از همه مهم تر بوده و عمده تحقیقات بر آنها متمرکز شده است. بنابراین تا به اینجا دانستیم که دو عنصر اساسی و نام آشنا در ریزمحیط سلول، ECM و فاکتورهای رشد هستند و بنابراین برای تقلید ریز محیط (آرمان مهندسی بافت)، بایستی این دو عنصر را به خوبی شناخته و سعی در شبیه سازی آنها برای سلول کنیم.

 

مفهوم داربست 

پیش از این گفتیم که سلول ها در بدن روی بستری آرام گرفته اند که ECM نامیده می شود. بنابراین اولین قدم در مهندسی بافت آن است که بستری مشابه با ECM طبیعی سلول بسازیم که سلول روی آن احساس آرامش کرده و آن را بیگانه نداند و احساس کند دقیقاً روی همان بستر طبیعی خود قرار گرفته است. در واقع باید سلول را فریب دهیم تا پاسخ منفی نشان ندهد و فعالیت طبیعی خود را به درستی انجام دهد. پس اولین نکته ای که در ساختن بستر باید رعایت کنیم آن است که جنس ماده سازنده آن کاملاً زیست سازگار (biocompatible) باشد و برای سلول سمی نباشد. ماده ای که چنین خصوصیتی داشته باشد، بیومتریال (زیست ماده) نامیده می شود.

نکته مهم دیگر این است که بستری که ما برای سلول می سازیم بایستی سازه ای سه بعدی و متخلخل باشد و حفرات آن کاملاً بهم پیوسته (interconnected) باشند و به عبارت دیگر یک فوم سلول باز باشد. علت وجود چنین تخلخلی آن است که سلول ها بتوانند درون بستر رفت و آمد (مهاجرت) کنند و نیز امکان رسیدن مواد غذایی به درون بستر و دفع مواد زائد از آن وجود داشته باشد. این سازه را می توان به داربست ساختمانی و سلول ها را می توان به آجرها تشبیه کرد. همان طور که برای بنای ساختمان لازم است ابتدا اسکلتی سه بعدی ساخته شود و سپس آجرها در آن جا سازی شوند، برای ساخت یک بافت نیز لازم است سلول ها درون فضایی سه بعدی و متخلخل که «داربست» (scaffold) نامیده می شود جاسازی شوند.

 

شکل 3) داربست، سازه ای سه بعدی و متخلخل است

نکته قابل توجه آن است که این سازه کاملاً موقتی است و قرار نیست که جزئی از بافت نهایی باشد. بلکه تنها در نقش ابزاری است که به سلول ها این امکان را می دهد که با قرار گرفتن در شرایط فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسب، ECM طبیعی خود را در فضایی سه بعدی سنتز کنند و بافت مورد نظر را به تدریج بسازند. بنابراین ماده سازنده داربست باید علاوه بر زیست سازگاری، زیست تخریب پذیر (biodegradable) هم باشد تا به مرور زمان، همزمان با شکل گیری بافت جدید و با سرعتی هماهنگ با آن تخریب شود. در مجموع می توان داربست را یک «ECM مصنوعی» دانست که به سلول این امکان را می دهد که ECM طبیعی خود را بسازد. داربست ها می توانند طبیعی و یا مصنوعی باشند. داربست های مصنوعی را می توان با استفاده از تکنیک های مهندسی مواد (بخصوص مهندسی پلیمر) به اشکال مختلف تهیه کرد. داربست های طبیعی نیز با خارج ساختن سلول های یک بافت طبیعی (decellularization) و باقی گذاشتن یک ساختار غنی از پروتئین و عاری از سلول (acellular tissue) قابل تهیه اند.

البته بایستی توجه داشت که یک داربست ایده آل، چیزی فراتر از یک سازه بی خطر برای سلول است؛ یعنی علاوه بر آنکه اثر سمی برای سلول ندارد و سلول را در فضایی سه بعدی نگهداری می کند و به حفظ پایداری مکانیکی بافت جدید در مراحل اولیه شکل گیری آن کمک می کند، نقش فعال و مؤثر در تعیین رفتار سلول نیز دارد و به سلول کمک می کند تا فعالیت خود را به نحو بهتری انجام دهد. به عبارت دیگر داربست ایده آل، علاوه بر نقش ساختاری، نقش بیولوبوژیکی نیز دارد و به اصطلاح زیست فعال (bioactive) است. بنابراین برای تقلید بهتر ECM، بایستی در حد امکان اصلاحاتی روی داربست اعمال کرد تا بتواند در ساز و کارهای زیستی شرکت کرده و سیگنال های لازم را به سلول القاء کند.

پروسه مهندسی بافت

فرایند کلی مهندسی بافت به زبان ساده در شکل زیر نشان داده شده است:

 

شکل 4) پروسه مهندسی بافت

 

ابتدا داربست به شکل مورد نیاز ساخته می شود. سپس سلول های مربوط به بافت هدف (مثلاً فیبروبلاست برای پوست) به تعداد کافی روی آن کشت داده می شوند. کشت سلول در یک سرم بیولوژیکی (محیط کشت) که حاوی مواد مغذی لازم برای رشد و حیات سلول است انجام می گیرد. حضور فاکتورهای رشد در محیط کشت برای دریافت یک پاسخ مناسب از سلول ها و کمک به رفتار بهتر آنها ضروری است. پس از گذشت زمان کافی، سلول ها در تمام فضای داربست جاسازی شده و یک سازه سه بعدی محتوی سلول به دست می آید که آماده کاشت در بدن می باشد. این کامپوزیت داربست - سلول توسط جراح در ناحیه ای از بدن که دچار ضایعه شده است کاشته (implant) شده و فضای آسیب دیده را پر می کند. با رگزایی (vascularization) و نفوذ مویرگ های اطراف به داخل داربست، مواد غذایی و اکسیژن به سلول ها رسانده می شود و مواد زائد حاصل از متابولیسم آنها دفع می شود و به این ترتیب با گذشت زمان سلول ها شروع به سنتز ECM طبیعی خود و ساخت بافت جدید می کنند و داربست نیز همزمان با تشکیل بافت جدید به مرور زمان تخریب می شود، تا اینکه با شکل گیری کامل بافت، به کلی از بین می رود. در نهایت بافت جدید با بافت طبیعی مجاور خود در هم آمیخته شده و کاملاً یکپارچه می گردد.

 

یک مثال: موش گوش پشت؛ اولین کار موفق مهندسی بافت

پروفسور لنگر و دکتر وکنتی برای نخستین بار، داربستی پلیمری به شکل گوش انسان ساختند و سلول های غضروف (کندروسیت) را روی آن کشت دادند و سپس آن را به یک موش آزمایشگاهی پیوند زدند. این پیوند کاملاً موفقیت آمیز بود به گونه ای که گوش پیوندی به خوبی با بافت اطراف خود یکپارچه شد و هیچ اثری از پس زدن آن مشاهده نشد. به این ترتیب موشی که گوش انسان را به پشت داشت، به نمادی از مهندسی بافت تبدیل گردید.

 

شکل 5) موشِ گوش پشت، نمادی از مهندسی بافت

 

بعدها همین پروسه برای تهیه گوش از سلول های غضروف و سپس پیوندزنی آن به انسان انجام شد و برای جایگزینی گوش های آسیب دیده مجروحین جنگی مورد استفاده قرار گرفت.



مثلث مهندسی بافت

با توجه به آنچه گفته شد می توان نتیجه گرفت که در یک نگاه کلی، مهندسی بافت مثلثی با سه رأس سلول، داربست و سیگنال های بیولوژیک است، که مهمترین رأس آن سلول است چرا که سلول ها هستند که بافت جدید را می سازند و دو رأس دیگر تنها ابزارهایی هستند که با تکنیک های مهندسی به خدمت سلول در می آیند تا سلول بتواند مأموریت خود را به درستی انجام دهد.

 

 

سلول های بنیادی و مهندسی بافت

یکی از چالش های مهم در مهندسی بافت، عدم دسترسی کافی به منابع سلولی مورد نیاز است. در واقع برای ساخت هر بافتی از بدن، نیاز به تعداد زیادی از سلول های اختصاصی آن بافت است و این در حالی است که سلول هایی که از بافت های بالغ بدن جدا می شوند (somatic cells)، اغلب توانایی تکثیر به مقدار لازم را ندارند. بنابراین دسترسی به منابع سلولی از انواع سلول های بدن با قابلیت تکثیر زیاد ضرورتی اجتناب ناپذیر است. سلول های بنیادی (stem cells) به سبب خصوصیات منحصر بفرد خود، گزینه های بسیار مناسبی برای رفع این معضل هستند. دو ویژگی مهم سلول های بنیادی، آنها را از دیگر سلول های بدن متمایز ساخته است: 1) خود نوزایی (self-renewal)؛ یعنی توانایی زایش و تکثیر به سلول های مشابه خود آن هم به تعداد بسیار زیاد و 2) تمایز (differentiation)؛ یعنی قابلیت تبدیل شدن به انواع سلول های سازنده بافت های انسان. 

سلول های بینادی موجوداتی کاملاً هوشمند هستند که به انواع سیگنال هایی که از محیط اطراف دریافت می کنند پاسخ نشان داده و یکی از سرنوشت های چهارگانه خود را انتخاب می کنند: خودنوزایی، تمایز، عدم تغییر وضعیت (quiescence) و حتی مرگ (apoptosis): 

 

بنابراین با شناخت و کنترل عوامل مؤثر بر رفتار سلول بنیادی می توان آنها را به سرنوشت دلخواه هدایت کرد. این شاخه از طب ترمیم تحت عنوان «مهندسی سلول های بنیادی» شناخته می شود.



مهندسی ارگان (organ engineering)؛ رویای مهندسی بافت

بزرگترین آرزو برای مهندسان بافت آن است که پس از موفقیت کامل در ساخت انواع مختلف بافت های بدن، یک قدم فراتر رفته و بتوانند ارگان ها را که متشکل از چندین نوع بافت و سلول هستند بسازند. اگرچه با توجه به پیچیدگی ارگان ها تا رسیدن به این مرحله فاصله زیادی در پیش داریم، اما مسلماً این رویا دست یافتنی است و در آینده ای نه چندان دور، روزگاری فراخواهد رسید 
که امکان ساخت کلیه ارگان های بدن در آزمایشگاه وجود داشته باشد. در چنین روزی در سطح شهرها چنان که امروز کافی شاپ ها را داریم، بادی شاپ هایی خواهیم داشت که مشتری های آنها بیمارانی هستند که بافت ها یا ارگان های خود را از دست داده اند!

 

 

شکل 8) روزی خواهد رسید که بادی شاپ هایی خواهیم داشت که در آنها بافت ها و ارگان های انسان عرضه می شود.

 

در واقع شخص بیمار می تواند به فروشگاه اندام و بافت های بدن مراجعه کند و بافت یا ارگان دلخواه خود را سفارش دهد. در اولین مراجعه بیمار، با دریافت اطلاعات پزشکی، بیولوژیکی و ژنتیکی شخص بیمار، عکس برداری از ناحیه آسیب دیده و برداشت سلول های مشخصی از بدن وی، بافت یا ارگانی طبق نیاز بیمار طراحی و ساخته می شود و در مراجعه بعدی بیمار، بافت یا ارگان زنده به بدن او پیوند زده می شود.

 

مهندسی بافت؛ از بهترین شغل های آینده

همان طور که پیش از این نیز گفته شد، مهندسی بافت رشته کاملاً جدیدی است که کمتر از 20 سال از عمر رسمی آن می گذرد و بنابراین هنوز مراحل تکامل و شکل گیری خود را طی می کند و به جز مواردی چند، در بسیاری از موارد هنوز پیشرفت ها به اندازه کافی چشمگیر نبوده است که به کاربردهای بالینی (درمان انسان) و محصول تجاری منجر شوند. اما آنچه مسلم است، آینده این رشته بسی روشن است و به نظر می رسد پس از طی مراحل تکامل خود، جایگاه ویژه ای در میان برترین شغل های آینده پیدا کند. چرا که مسلماً هر حرفه ای که با سلامت و حفظ حیات انسان سر و کار داشته باشد، اهمیت ویژه ای برای بشر خواهد داشت و سرمایه عظیمی را به سمت خود جذب خواهد کرد. این پیش بینی، در گزارشی از مجله Time که در سال 2000 به چاپ رسید نیز مورد تأیید قرار گرفته است. در این گزارش، 10 شغل به عنوان بهترین شغل های 50 سال آینده معرفی شده اند، که مهندسی بافت در صدر این لیست قرار دارد!

 

مجله times: مهندسی بافت برترین شغل 50 سال آینده

 

نویسنده: محمد حسین قانیان- دانشجوی دکتری مهندسی پلیمر


نظر دادن

تماس

آدرس : بزرگراه رسالت- خیابان بنی هاشم- کوچه حافظ- پژوهشکده سلول های بنیادی
تلفن: 23562255(021)
ایمیل: eng.royan@gmail.com