اطلاعات عمومی، ویکی ژن
انواع کشت ۳ بعدی و مهندسی بافت
مهندسی بافت چیست؟
اولین تجربه های موفق کشت سلول های پستانداران در فضای 2 بعدی انجام می شد. سیستم کشت سلول 2 بعدی در اوایل قرن 20 توسعه پیدا کرده و بعد از استخراج و کشت اولین رده سلولی تحت عنوان HeLa، زمینه های زیادی برای مطالعه سلول های سرطانی گسترش پیدا کرد.
از طرف دیگر در اواخر قرن 20 ساختار های سه بعدی زیست سازگار و زیست تخریب پذیر با تخلخل مناسب تولید شده و در آن ها دارو های مختلف لود می شد. محققان بعد ها دریافتند سلول ها به خوبی می توانند داخل این ساختار ها لانه گزینی و رشد کنند و در نهایت نام آن ها را داربست های کشت سلول نامیدند.
زمانی که سلول در یک فضای مسطح رشد می کند، از یک سمت با یک شکل صاف به کف ظرف چسبیده و از سمت بالا قطبیت داشته و برآمده شده است. لذا ارتباط سلول با فضای اطراف در کشت 2 بعدی فقط از سمت برآمده بالا است اما در کشت ۳ بعدی، سلول از سه جهت فضا توانایی ارتباط با محیط اطراف خود را دارد. خیلی از سلول هایی که در میزبان خود ساختاری گرد دارند، ممکن است در کشت 2 بعدی ساختاری شبه اپیتلیال یا حتی شبه فیبروبلاست بگیرند. این مسئله تفاوت مورفولوژی بین کشت 2 بعدی و سیستم درون تنی را بوجود می آورد.
تفاوت ویژگی های بین کشت سلول در یک فضای دو بعدی با سیستم درون تنی، باعث شد دانشمندان به فکر ساخت یک سیستم با شباهت بیشتر به in-vivo باشند. چرا که هدف از تأسیس سیستم برون تنی بوجود آوردن فضایی شبیه به سیستم های درون تنی بوده است و اختلافات بین این 2 باعث کاهش کاربرد کشت 2 بعدی شد.
در کشت ۳ بعدی غلظت مواد قابل جذب در اطراف سلول به یک نسبت است، قطبیت سلولی بر اثر فشار محیط به وجود نمی آید، ماتریکس خارج سلولی در همه جای فضا پخش شده است، سفتی و نرمی فضا قابل تنظیم است، سلول ها در 3 جهت با محیط اطراف ارتباط برقرار می کنند و مهاجرت و حرکت سلولی تحت کنترل می باشد.
اما از طرفی در فضای دو بعدی غلظت مواد در یک سمت سلول زیاد و در سمتی که سلول به کف چسبیده تقریبا صفر می باشد، قطبیت سلول با فشار از طرف کف ظرف بوجود می آید، ماتریکس خارج سلولی به شکل یکنواخت فقط در یک سطح قرار گرفته است، سفتی صفحهای که سلول به آن می چسبد بالا بوده و غیر قابل تغییر است، چسبندگی فقط به یک سمت محدود شده و مهاجرت سلولی بدون محدودیت در یک صفحه انجام می شود.
توسعه کشت ۳ بعدی علاوه بر افزایش صحت آزمایش های مختلف مخصوصا در حوزه سرطان، باعث شد بسیاری از تست هایی که در سیستم in-vitro انجام می شد، تعمیم مناسب تری به in-vivo داشته و خسارات وارده به حیوانات را به طرز چشمگیری کاهش دهد.
اما یکی از نکات بسیار جذاب این حوزه که از اوایل قرن 21، توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرد، امکان مهندسی بافت بوده است. در مهندسی بافت، یک ارگان و بافت از دست رفته، با استفاده از یک داربست و سلول های مناسب جایگزین می شود.
تفاوت ساختار بافت های مختلف بدن انسان، باعث شده مسیر های مختلف و متعددی در حوزه مهندسی بافت در دنیا شکل بگیرد. در بدن انسان اگر خون را به عنوان بافت بدون اتصالات سلولی و استخوان را به عنوان بافت با اتصالات سلولی بسیار محکم در نظر بگیریم، در این بین انواع بافت ها با درجه سختی و تراکم مختلف ECM یا همان ماتریکس خارج سلولی قرار می گیرند. لذا در مهندسی بافت با مجموعهی متنوعی از بافت ها مواجه می شویم که تولید جایگزین برای هر یک از آن ها می تواند پروسه تحقیقاتی چند ساله باشد.
در مهندسی بافت نکات بسیار زیادی اعم از اینکه سلول مورد استفاده چه شرایطی را باید داشته باشد و اینکه از چه نوع داربستی می توان استفاده کرد، وجود دارد. به عنوان مثال سلول های مورد استفاده در این حوزه شامل مجموعه سلول های بنیادی، سلول های تمایز یافته که پیش ساز هستند و سلول های تمایز یافته با عملکرد مشخص. سلول های بنیادی توانایی رشد بالایی دارند و به سادگی می توان آن ها را در مسیر های مختلف تمایزی قرار داد، اما باید توجه داشت که این سلول ها ممکن است به شکل کنترل نشده در بدن فرد تومور زایی کنند.
از طرفی سلول های پیش ساز نسبت به سلول های بنیادی قدرت تمایزی مشخص و بالاتری دارند و دقیقاً کل مجموعه سلولی به همان دودمانی که مورد نظر است تمایز پیدا می کنند و همچنین امکان تومور زایی در آن ها کمتر است اما از طرفی جمعیت بسیار کمتری را در بدن تشکیل داده و کشت آن ها برای افزایش جمعیت سلولی کمی دشوار است. سلول های تمایز یافته نیز جزء گزینه های در دسترس تر هستند اما برخی از دودمان های آن ها به هیچ وجه قابل کشت و تکثیر نیستند. از طرفی به دلیل تثبیت ویژگی های ایمونوژنیسیتی در آن ها، پاسخ های ایمنی را به شدت تحریک می کنند.
داربست های سلولی
همانطور که پیشتر گفته شد، در اواخر قرن 20، از داربست های الکتروریسی شده به عنوان سازه های حامل دارو استفاده می شد. برای آهستگی و پیوستگی رهایش، دارو به شکل کلاف به داربست اضافه شده و سپس در بدن ایمپلنت می شد. همراه با شکسته شدن ساختار داربست، رهایش دارو اتفاق می افتاد.
محققان بعد ها متوجه شدند که می توانند همین ساختار های زیست سازگار می توانند یک بستر مناسبی برای اتصال سلول ها به وجود آورده و موجب شوند رشد سلولی 3 بعدی با شباهت بیشتری در این داربست ها اتفاق بیفتد.
تجربه کشت سلول 3 بعدی مستقل از داربست
یکی از اولین تجربه های کشت ۳ بعدی اما مستقل از داربست با توسعه اسفروئید ها اتفاق افتاد. اسفروئید ها ساختار هایی هستند که سلول هایی با توان رشد بالا، به شکل 3 بعدی کشت داده شده و توده سلولی بوجود می آورند. عموما سلول های بنیادی پرتوان و سلول های سرطانی بنیادی توانایی تشکیل اسفروئید دارند. کشت 3 بعدی اسفروئید، با تکنیک های مختلفی مانند rolling bottle، بیوراکتور، Hanging drop و پلیت های با چسبندگی کم امکان پذیر است.
ویژگی های ساختاری و عملکردی داربست ها
ساخت یک داربست برای اهداف مهندسی بافت، منوط به استفاده از ترکیبات زیست سازگار و زیست تخریب پذیر می باشد. بسته به اینکه بافت هدف ما در مهندسی بافت چه ساختاری دارد، کشت ۳ بعدی سلول در داربست هایی با ساختار شبیه به همان بافت هدف انجام می شود. از نظر شباهت فیزیکی داربست و بافت هدف، مهمترین فاکتور هایی که برای مهندسی بافت در نظر گرفته می شوند، شامل شدت تخلخل، میزان حفرات و درجه زیست تخریب پذیری می باشد.
ویژگی های ساختاری داربست:
- دارا بودن یا شباهت ساختاری با پروتئین های ماتریکس خارج سلولی، مانند فیبرونکتین، کلاژن و ژلاتین
- تخلخل بالا و داشتن منافذ یک اندازه و مساوی
- زیست تخریب پذیری خود به خودی
* نرخ تخریب پذیری باید همزمان با شکل گرفتن بافت تازه باشد. در برخی بافت ها مانند استخوان، داربست نقش ایمپلنت را بازی کرده و نیازی به تخریب شدن ندارد.
- قابل تزریق بودن داربست با دو رویکرد:
الف) قابلیت تزریق سلول به داخل داربست وجود داشته باشد
ب) در صورت امکان قابلیت تزریق بدون نیاز به جراحی داشته باشد. مانند هیدروژل ها، میکروسفر ها واسفروئید ها
- دارای بار، قطبیت و خواص شیمیایی مناسب
- دارا خواص مکانیکی متناسب با بافت هدف
- عدم تحریک سیستم ایمنی چه در زمان کاشت چه پس از تخریب
- قابلیت ساخت در ابعاد و اشکال مناسب داشته باشد.
داربست ها از نظر منشاء در دو دسته طبیعی و سنتزی قرار می گیرند. داربست های طبیعی شامل بافت های آسلولار شده (Decellularized Tissue) و مشتقات پلیمری استخراج شده از بافت های موجودات زنده می باشد. همچنین داربست های سنتزی، پلیمر هایی بر پایه ترکیبات آلی می باشند که هیچ سمیتی بر سلول هایی که به شکل 3 بعدی در آن ها کشت داده می شود، ندارند.
داربست های سنتزی عموماً از پلیمر های بر پایه آنهیدرید، پلی اورتواستر های آلیفاتیک، آلیاژ های فلزی و … می باشند. این ترکیبات در اشکال و ابعاد مختلف تولید شده و طی سیستم های الکتروریسی و پرینتر 3 بعدی قابل تولید هستند.
مطالب مرتبط:
- کارآموزی مهندسی بافت و پزشکی بازساختی
- پزشکی بازساختی و کاربردهای آن
- آشنایی با انواع سلول های بنیادی و خاستگاه آنها
نویسنده: مسعود سلطانی حلوائی
