آشنایی با مفاهیم پایه در مهندسی بافت

کاربرد مهندسی بافت

 بر خلاف تصور رایج، کاربرد مهندسی بافت تنها محدود به ترمیم یا جایگزینی بافت های آسیب دیده در بدن نمی­شود، بلکه موارد دیگری چون مدل های مطالعاتی و آموزشی، شناسایی داروها و حتی تولید مواد غذایی را نیز شامل می­شود. به عنوان مثال، روند تشکیل یک بافت مهندسی شده می­تواند حاوی اطلاعات بسیار مهمی در رابطه با عوامل متعدد مؤثر بر تشکیل بافت در بدن بوده و دانش زیست شناسی تکوینی را توسعه بخشد. همچنین بافت­های مهندسی شده می­توانند مدل­های آزمایشگاهی مناسبی جهت مطالعه بیماری­های مختلف و شناخت عوامل بیماری­­زا باشند و حتی می­توانند به گونه ای طراحی شوند که مناسب برای آموزش دانشجویان پزشکی باشند. به عنوان مثال، امروزه آموزش جراحی قبل از ورود به اتاق عمل روی جسد انسان انجام می­شود، اما در مواردی چون جدا کردن تومور سرطانی از بافت آسیب دیده، شرایط جسد با واقعیت بسیار متفاوت است و این در حالی است که می­توان بافت­های مهندسی شده را به گونه ای ساخت که شامل تومور یا نقصی خاص باشند. بر این اساس، مهندسی بافت می­تواند علاوه بر رویکرد درمانی، رویکرد آموزشی - پژوهشی نیز داشته باشد.

در صنعت داروسازی، داروهای جدید بایستی قبل از تجویز برای انسان، توسط مدل­های آزمایشگاهی مناسب مورد ارزیابی قرار گیرند. استفاده از مدل های حیوانی، به عنوان تنها راهکار موجود برای مطالعه اثر داروها، با چالش­هایی چون مسائل اخلاقی، زمان طولانی، هزینه بالا و پیش بینی ضعیفِ ناشی از تفاوت­های حیوان و انسان همراه است. بنابراین کاربرد دیگر مهندسی بافت می­تواند ساخت مدل­های آزمایشگاهی جهت بررسی کارایی و اثرات داروهای جدید باشد که اصطلاحاً «غربالگری دارو»1 نامیده میشود.به عنوان مثال، یک کبدد مهندسی شده متشکل از هپاتوسیت­های عملکردی می­تواند جهت مطالعه متابولیسم داروهای مختلف،، جایگزین مدل­های چالش برانگیز حیوانی شود. بر اساس این ایده، تاکنون اندام های مختلف انسان از قبیل شش، روده، طحال، کبد، کلیه، عروق و قلب روی قطعات کوچک چند سانتی متری به شکل تراشه­های الکترونیکی شبیه سازی شده اند (شکل 1). این مدل­ها که تحت عنوان «اندام روی تراشه»2شناخته می شوند، قادر به انجام چند وظیفه شاخص از اندام مورد نظر بوده و با ورود مواد از طریق راهگاه­های میکرو مقیاسس به درون خود، خروجی­هایی که قابل آنالیز توسط رایانه باشند ارائه می­دهند.

 

شکل 1) نمونه هایی از اندام روی تراشه که تاکنون توسعه یافته اند.

 

با توجه به آن که از محدودیت­های این تراشه ها، بررسی مستقل یک اندام، بدون در نظر گرفتن اثرات متقابل آن با دیگر اندام های بدن است، اخیراً (سال 2012) پروژه ای با حمایت مالی وزارت دفاع امریکا کلید خورده است که هدف آن گنجاندن ده اندام، از اندام های مهمِ تأثیرپذیر از موادورودی به بدن، روی یک تراشه کوچک است به طوری که با یکدیگر در ارتباط باشند و مدلی از «کل بدن روی یک تراشه»3 را تشکیل ­دهند (شکل 2). چنین تراشه ای، می تواند در مدت زمانی کوتاه، اطلاعات دقیقی از اثراتت احتمالی مواد ناشناخته روی قسمت های مختلف بدن ارائه دهد و لذا ابزاری مناسب جهت تست داروها در صنعت داروسازی و یا شناسایی مواد مشکوک در میدان های جنگ به شمار می­رود.   

 

 


 

شکل 2) شمایی از ایده­ کل بدن روی یک تراشه؛ مجموعه ای از ده اندام مرتبط با هم.

 

کاربرد دیگری که می­توان برای مهندسی بافت متصور شد، تولید گوشت­های مهندسی شده سالم و تازه، مشابه با گوشت­های خوراکی رایج است. بر اساس این ایده، در آگوست 2013 در یک برنامه تلویزیونی از یک ظرف گوشت مهندسی شده پرده برداری شد که ادعا می­شد شباهت زیادی به گوشت گاو داشته و مصرف آن برای انسان کاملاً بی خطر است؛ ادعایی عجیب که هرگز ثابت نشده و بسیار قابل تردید است (شکل 3). گذشته از خطراتی که مصرف این گوشت برای انسان می­تواند داشته باشد، هزینه تولید یک ظرف کوچک از آن چنان بالاست، که به نظر می رسد موفقیت چنین ایده­ای غیرممکن باشد. به هر حال، ممکن است با پیشرفت بیشتر تکنولوژی­های کشت سلول، روزی گوشت های مهندسی شده جایگزین گوشت های حاصل از ذبح دام شوند. 

 

شکل 3) گوشت مهندسی شده ­ای که با هزینه 332000 دلار (حدود 100.000 برابر یک گوشت طبیعی) تولید شده است.

 

واژه سلول بنیادی، نخستین بار در سال 1960 توسط یک بافت شناس روسی به نام الکساندر ماکسیموف4مطرح شد. منشأ این نا­م­گذاری، مشاهده باز تولید سلول­های خونی در بدن انسان توسط دسته دیگری ازز سلول­ها بود و از آنجا که برخی سلول­ها به عنوان منشأ دیگر سلول­های بدن پنداشته شدند، سلول­های اصلی، سلول بنیادی یا سلول ساقه­ای نامیده شدند. سلول­های بنیادی با دو ویژگی اساسی قابلیت خود نوزایی5 و تمایز6شناخته می­شوند. این دو ویژگی را اصطلاحاً بنیادینگی7 می­ نامند. در خود نوزایی سلول بنیادی در طی تقسیم سلولی، سلول مانند خود را تولید می­کند و در تمایز، سلول بنیادی یک سلول با گونه متفاوت راا می ­سازد. سلول تمایز یافته پروتئین­ های متفاوتی دارد و در نتیجه عملکرد متفاوتی خواهد داشت.

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، سلول­هاي بنيادي را مي­توان به سه گروه اصلي شامل سلول­هاي بنيادي بزرگسال8،سلول­هاي بنيادي جنيني9  (ES) و سلول­هاي بنيادي پرتوان القائي10 (iPS) تقسيم كرد.

 


 

شکل 4) انواع اصلی سلول­های بنیادی و نحوه تهیه آنها: (الف) سلول­های بنیادی جنینی، (ب) سلول­های بنیادی پرتوان القائی و (ج) سلول­های بنیادی بزرگسال.

 

سلول­ هاي بنيادي بزرگسال، سلول­ هایی هستند که در اندام­های مختلف بزرگسالان وجود دارند و وظیفه آنها ترمیم و بازسازی بدن است. این سلول­ها دارای قابلیت تکثیر و خودنوزایی محدود هستند و به همین دلیل تومورزا نیستند. همچنین قابلیت تمایز به همه انواع سلول­های بدن را ندارند و فقط می­توانند به سلول­های مربوط به بافت خود تبدیل شوند و اصطلاحاً چندتوان11هستند. از جمله سلول­هاي بنيادي بزرگسال می­توان به سلول هاي بنيادي خون ساز12اشاره کرد كه در مغز استخوان يا بند ناف يافت مي شوند و مي توانند به همه انواعع سلول­هاي خوني تبديل شوند و همچنين سلول­هاي بنيادي مزانشيم (13 (MSC كه آنها نيز عمدتاً از مغز استخوان استخراج شده و مي­توانند به سلول­های سازنده بافت­هایی چون استخوان، غضروف، ماهیچه و چربی تمايز يابند.

سلول­ های بنیادی جنینی، از توده سلولي داخلي14 کره­ای که در مرحله بلاستوسيست15 از تکوین جنین (روز پنجم تا هفتم) ایجاد می­شود به دست می­آیند. سلول­های ES پرتوان16 هستند، یعنی مي­توانند به سلول­ های هر سه لايه جنيني اكتودرم، مزودرم و اندودرم تمايز يابند و به اين ترتيب مي­توانند به همه انواعع سلول­هاي اختصاصي بدن تبديل شوند. همچنین این سلول­ها قابلیت تکثیر نامحدود در محیط آزمایشگاه را دارند. این ویژگی باعث توانایی تشکیل تومور در این سلول­ها شده است.

سلول­ هاي بنيادي پرتوان القائي، سلول­هاي بالغ (مانند فیبروبلاست) هستند كه از طریق دستکاری ژنتیکی توسط چند فاکتور معین، به سلول­هاي بنيادي شبه جنيني بازبرنامه ريزي17 شده اند. سلول­های iPS نخستین بار از سلول­ های فیبروبلاست موش و انسان،به ترتیب در سال­های 2006 و 2007 تولید شدند. این سلول­ ها از نظر كيفي با سلول­ های بنیادی جنینی برابري مي­كنند، به طوری که قابلیت تکثیر نامحدود دارند و می­ توانند هر سه لایه جنینی و در نتیجه تمامی انواع سلول­های بدن را تولید کنند. 

سلول ­های بنیادی جنینی و پرتوان القایی را بطور کلی سلول­ های بنیادی پرتوان می گویند.

 

1Drug screening

2Organ-on-chip

3Body-on-a-chip

4Alexander Maksimov

5Self renewal

6Differentiation

7Stemness

8Adult stem cell

9Embryonic stem cell

10Induced pluripotent stem cells

11Multipotent

12Hemapoietic stem cell

13Mesenchymal stem cells

14Inner cell mass

15Blastocyst

16Pluripotent

17Reprogra

 

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