مهندسی بافت، سلول های بنیادی و شبیه سازی/ابزارهای قدرتمند برای توسعه پزشکی باز ساختی و درمان های شخصی

به گزارش آفتاب سلامت پزشکی بازساختی (regenerative medicine) شاخه ای از علوم است که به مهندسی،  ترمیم و بازسازی سلول ها، بافت ها و اندام های انسان می پردازد. پزشکی باز ساختی در واقع شاخه ای از طب ترجمه ای (translational medicine) محسوب می شود. طب ترجمه ای شاخه ای از پزشکی است که از دانش منتج از تحقیقات علوم پایه، برای کاربردهای عملی در پزشکی مانند درمان های جدید و ساخت وسایل و ابزارهای تشخیص دقیق بیماری ها بهره می جوید. به عبارت دیگر ترجمه ی دانش نظری به کاربردهای پزشکی است.

مهندسی بافت به عنوان جزء اصلی پزشکی باز ساختی، از علوم سلولی، علوم مواد و مهندسی در جهت توسعه فراورده های زیستی که می توانند جایگزین بافت ها و اندام های بدن شوند بهره می گیرد. مهندسی بافت توانایی ساخت عضو یا بافت های طبیعی را در خارج از بدن دارد. اصلی ترین مرحله مهندسی بافت،  کشت سلول ها در روی یک داربست مناسب است که محیطی برای رشد سلول ها فراهم نماید. سلول ها در بدن می توانند  محیط حمایت کننده خود را ترشح کنند. این محیط حمایت کننده ماتریکس خارج سلولی (ECM) نام دارد. ماتریکس خارج سلولی نه تنها یک محیط نگهدارنده و حمایت کننده برای سلول محسوب می شود، بلکه ایستگاهی از مولکول های علامت دهنده است که از طریق این مولکول ها سلول ها پیغام هایی را برای تنظیم عملکرد خود دریافت می کنند. برای تولید بافت های جدید با استفاده از مهندسی بافت، لازم است که به درک صحیحی از نحوه پاسخ سلول ها به مولکول های علامت دهنده، نحوه تعامل سلول ها با محیط حمایت کننده و خودساماندهی سلول ها به بافت ها و اندام های کامل دست یافت.

مهندسی بافت از سه عنصر اصلی یعنی سلول، محیط حمایت کننده یا داربست و مولکول های علامت دهنده یا القا کننده ی رشد مانند فاکتورهای رشد (growth factors; GF) تشکیل شده است و معمولا از ساخت یک داربست مناسب برای رشد و تکثیر سلول آغاز می شود. سلول ها همراه با مولکول های القا کننده رشد یا بدون همراهی آن ها در این داربست ها کشت داده می شوند.

در مهندسی بافتِ مبتنی بر سلول، (cell-based tissue engineering) از سه نوع داربست می توان برای کشت سلول ها استفاده نمود. این سه نوع داربست عبارتند از: ماتریکس های مشتق از منابع طبیعی (کلاژن یا آلژینات )، داربست های طبیعی سلول زدایی شده (acellular scaffolds) و ماتریکس های سنتزی مانند پلیمرهای سازگار با بدن. در روش «آسلولار»، سلول های بافتی که از طریق جراحی از بدن جدا شده است کاملا خارج می شود و داربست کلاژنی باقی مانده برای رشد سلول های جدید، مورد استفاده قرار می گیرد. این فرایند برای مهندسی بافت قلب، کبد، ریه و کلیه به کار رفته است. مزیت روش استفاده از بافت های انسانی به عنوان داربست کشت سلولی این است که پس از کاشت، توسط دستگاه ایمنی بدن پس زده نمی شوند. مثانه، رگ های کوچک، پیوندهای پوستی، غضروف و حتی نای کامل با این روش به بیماران پیوند زده شده اند. اما این روش هنوز در مرحله آزمایشگاهی و بسیار هزینه بر است.

مهندسی بافت را می توان بر اساس نوع سلول هایی که برای کشت به کار می رود تقسیم بندی کرد. استراتژی های رایج بر مبنای کاربرد سلول های اتولوگ است که در آن سلول های اندام آسیب دیده بدن بیمار جداسازی و کشت داده می شود. این روش در مورد بیمارانی که در مراحل نهایی آسیب دیدگی بافت هستند موفق عمل نمی کند. از سوی دیگر بیوپسی بافت به اندازه کافی سلول های سالمی که گسترش یافته و پیوند داده شوند ندارد. در برخی موارد نیز، سلول های اخذ شده از بیمار نمی توانند به بافت یا اندام مورد نظر تبدیل شوند (ماند سلول های پانکراس). در چنین مواردی از سلول های بنیادی به عنوان منبع سلولی استفاده می شود. سلول های بنیادی مورد استفاده در مهندسی بافت می توانند سلول های بنیادی امبریونیک (embryonic) باشند. سلول های رویان یا امبریو سلول های رشد یافته تخم از مرحله لقاح تا پایان هفته هشتم در انسان هستند. سلول های رویانی دو خاصیت عمده دارند: توانایی تکثیر بدون تمایز با حفظ قابلیت تمایز (مرحله خود تکثیری) و قابلیت تمایز به انواع سلول های تخصصی. سلول های رویانی را می توان از توده سلولی در مرحله بلاستوسیت (سلول رویانی ۵ روز بعد از باروری) جدا نمود.

منبع سلولی دیگر برای مهندسی بافت استفاده از روش کلون کردن (cloning) یا شبیه سازی است. در روش کلونیگ یا شبیه سازی ابتدا هسته ی یک سلول زایشی مثل تخمک برداشته می شود و محتویات هسته ی سلول غیر زایشی که اصطلاحا «سلول پیکری» یا «بدنی» یا «سوماتیک» (somatic cell) گفته می شود، به داخل سلول تخمک وارد می شود. حاصل این تعویضِ هسته ایجاد یک زیگوت یا سلول تخم است که مى تواند تبدیل به یک موجود کامل شود. این نوع سلول تخم باز سازی شده می تواند از طریق تقسیم سلولى به یک بلاستوسیست تبدیل شده و پس از آن در دیواره رحم لانه گزینى کند و تبدیل به جنین شود. اگر انسانى از این طریق به وجود آید دقیقاً شبیه به انسانى خواهد بود که صاحب سلول هاى سوماتیک بوده است.

اولین پستانداری که به روش شبیه سازی متولد شد گوسفند دالی در سال ۱۹۹۷ توسط محققین اسکاتلندی بود. قبل از تولد دالی،  شبیه سازی قورباغه در سال ۱۹۶۲ گزارش شده بود. دو نوع کلونیگ وجود دارد که اصطلاحا کلونیگ تولید مثلی و کلونیگ درمانی نام دارد. در کلونیگ تولید مثلی، امبریو یا سلول رویان به دو یا چند قسمت تقسیم می شود که تمام قسمت ها از نظر ژنتیکی کاملا یکسان هستند (مثل دو قلوهای تک تخمی). این نوع رویان می تواند در رحم مادر قرار گیرد و به جنین هایی تبدیل شود که کاملا شبیه دهنده هسته است. در کلون کردن درمانی، سلول های رویانی ساخته شده برای تولید سلول های بنیادی مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع سلول های بنیادی اتولوگ می توانند در سلول درمانی و مهندسی بافت به کار روند. از این روش در درمان مراحل نهایی بیماری های کلیوی، بیمارهای نورودجنریتیو مثل آلزایمر و پارکینسون و دیابت استفاده شده است. به طور خلاصه در کلونینگ درمانی، محتویات هسته ی سلول غیرزایشی به داخل سلول زایشی بدون هسته (تخمک هسته زدایی شده) انتقال می یابد. این سلول پس از شوک الکتریکی رشد می یابد تا به یک سلول تخم (گامت) تبدیل شود. سلول گامت تا مرحله امبریو یا رویان (توده سلولی تازه ایجاد شده تخم که هنوز به رحم وصل نشده است) کشت داده می شود. در مرحله امبریو اگر توده سلولی به رحم انتقال داده شود به جنینی کاملا مشابه با سلول دهنده تبدیل می شود (کلون کردن تولید مثلی) و اگر به رحم انتقال نیابد و فقط سلول های بنیادی آن خارج شود، می تواند برای درمان بیماری ها یا مهندسی بافت مورد استفاده قرار گیرد (کلون کردن درمانی).

از تکنیک های مهندسی بافت، علاوه بر جایگزینی یا ترمیم بافت های آسیب دیده،  می توان  در زمینه های تحقیقاتی به ویژه توسعه داروها نیز استفاده نمود. با استفاده تکنیک های مهندسی بافت می توان بافت هایی در اندازه خیلی کوچک و مینیاتوری با کاربرد سلول های همان بافت از بدن فرد ساخت.  به بافت های کوچکی که با استفاده از سلول های فرد بیمار در اندازه مینیاتوری با ساختار سه بعدی در آزمایشگاه ساخته می شوند ارگانوئید (organoid ) گفته می شود. ارگانوئیدها آناتومی بافت اصلی را دارا می باشند و عملکرد مشابهی نشان می دهند. ارگانوئید ها یا ارگان های مینیاتوری حاوی سلول را می توان با ساختار سه بعدی و از طریق تکنیک های پیشرفته ساخت داربست مانند چاپ سه بعدی (۳D printing) تهیه نمود. با بررسی اثر داروها بر روی ارگانوئیدهای ساخته شده از سلول های هر فرد می توان در مورد اثربخشی و بهره دهی درمانی داروهای مختلف بر روی افراد مجزا مطالعه نمود و داروهای متناسب با آناتومی و نقشه ژنتیکی او را با مقدار مناسب تعیین نمود.  این نوع غربالگری دارویی (drug screening) می تواند در درمان شخصی (personalized medicine) ، بسیار موثر باشد. درمان های شخصی حرکت عظیمی در دنیای پزشکی مدرن است و این امکان را در اختیار پزشکان قرار می دهد که بر اساس فیزیولوژی خاص هر بیمار درمان شخصی بیمار را برنامه ریزی کنند. از تلفیق علوم مرتبط با ژنوم (بررسی کل اطلاعات ژنتیکی داخل سلول) و علم داروشناسی (فارماکولوژی) علم جدیدی به نام فارماکوژنومیکس (pharmacogenomics)  به وجود آمده است که محققین را قادر می سازد با بررسی نقشه ژنتیکی انسان، داروهای مناسب برای درمان او را تعیین کنند. این داروها می تواند کمترین عوارض جانبی را برای بیمار داشته و به بالاترین بهره دهی درمانی منجر شود. برای توسعه درمان های شخصی بر اساس تعیین دقیق نقشه ژنتیکی، توسعه مهندسی بافت مینیاتوری یا ارگانوئیدها،  توسعه نانو ابزارهای دقیقی مانند lab-on-a-chip که قادرند تست های بیولوژیک را در حجم بسیار کمی از نمونه خون یا بافت انسان انجام دهند، و یا نانوبیوسنسورها که قادرند توالی دقیق DNA را تعیین کنند، اهرم های بسیار موثری هستند.

بنابراین پیشرفت های اخیر در حوزه سلول های بنیادی، مهندسی بافت و تکنیک های انتقال هسته به یک زمینه گسترده در پزشکی باز ساختی منجر شده است به نظر می رسد تلفیق جادویی نانوتکنولوژی، مهندسی بافت و سلول درمانی به انقلابی در روش های درمان رایج  بیماری ها به ویژه درمان های شخصی و سفارشی منجر خواهد شد.

نویسنده: دکتر سودابه داوران

رییس آزمایشگاه و عضو موسس مرکز تحقیقات نانو تکنولوژی دارویی دانشگاه علوم  پزشکی تبریز