مهندسی بافت فناوری تولید اعضای زنده

این ایده از نظر بسیاری درهمان یک دهه پیش، ایده‌ای کاملا فانتزی به نظر می‌رسید با این حال سال‌های طولانی است که به بافت‌های انسانی قابل پیوند و کاشت و حتی تعویض اندام‌های از کارافتاده با نمونه‌های مهندسی شده نیاز مبرمی احساس می‌شود. امروزه نزدیک به 50 میلیون نفر تنها در آمریکا صرفا به لطف توسعه این ایده به نوعی فانتزی و تبدیل شدن به فناوری کاربردی زنده هستند. این افراد با استفاده از اشکال مختلفی از تکنیک‌های پیوند اندام‌های مصنوعی زنده هستند و به حیات خود ادامه می‌دهند. از آن گذشته از هر پنج فرد مسن بالای 65 سال در کشورهای توسعه یافته، یک نفر از مزایای فناوری جایگزین‌‌سازی اندام‌های جدید در ادامه زندگی خود بهره‌مند می‌شود.

فناوری‌های فعلی که برای جایگزین سازی اندام‌های آسیب دیده یا از کارافتاده بدن ارائه شده‌اند، نظیر استفاده از ماشین آلات دیالیز خون، جان شمار قابل توجهی از انسان‌ها را از مرگ نجات داده‌اند. اما باید قبول کرد که این فناوری‌ها راه‌حل‌های نه چندان کارآمد و کاملا مناسبی به شمار می‌آیند که اتفاقا فشارهای روحی و جسمی فراوانی را به بیماران تحمیل می‌کنند. اما بافت‌های زیستی مهندسی شده که البته هنوز در محیط‌های آزمایشگاهی مورد بررسی قرار می‌گیرند، تحولات نوین و امیدوارکننده‌ای را در زندگی بیمارانی ایجاد کرده‌اند که سال‌هاست با اندام‌های آسیب دیده و از کارافتاده خود دست و پنجه نرم می‌کنند. در سال‌های گذشته پیشرفت‌های چشمگیری در این عرصه صورت گرفته است که به عنوان مثال می‌توان به بافتی اشاره کرد که با استفاده از فناوری مهندسی بافت ارائه شده و در نقش ریز اندامی روی تراشه در تشخیص درجه سمی و خطرناک بودن داروهای مختلف برای بدن ایفای نقش می‌کند.

بافت‌های مهندسی شده در قالب اشکال متنوعی ارائه می‌شوند، از بافت‌های توده‌ای و ضخیم، حتی ورقه‌های بسیار نازک سلولی گرفته تا ساختارهای پیچیده بافتی البته هدف‌نهایی تمام آنها ارائه اندامی جایگزین برای اندام‌های آسیب دیده و از کار افتاده است. نکته‌ای که در این میان مطرح است، ذکر موانع مختلفی است که در فرآیند تولید انبوه و متنوع‌تر بافت‌های مهندسی شده عنوان می‌شود. همین نگرانی‌ها دانشمندان را بر آن داشته است تا به پیشرفت‌های قابل توجهی در این زمینه برسند. در سال‌های گذشته محصولات و تکنیک‌های منحصر به فردی نظیر جایگزین‌سازی پوست و غضروف‌های مهندسی شده کمک‌های قابل توجهی را به بیماران نیازمند کرده‌اند. از آن گذشته بافت‌های مصنوعی نظیر مثانه، قرنیه، نای و رگ‌های خونی نیز مراحل آزمایشگاهش خود را سپری می‌کنند البته پروژه‌های آزمایشگاهی که درخصوص ساختار بافت‌های پیچیده‌تر در حال انجام است با نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای همراه بوده است.

گرچه برخی از موانعی که در برابر توسعه فناوری مهندسی بافت در یک دهه گذشته وجود داشته، هنوز هم دانشمندان را آزار می‌دهند اما پیشرفت‌های خیره‌کننده‌ای نیز طی این 10 سال روی داده است که نتیجه آن باز شدن دریچه‌های تازه‌ای به سوی درک بهتر از تولید طبیعی بافت در بدن در دوران جنینی و همچنین در حین ترمیم طبیعی نواحی جراحت دیده است. در سال‌های اخیر روش‌های موجود در زمینه مهندسی بافت و مونتاژ ساختارهای ارائه شده از آنها پیچیده‌تر شده‌اند که علت اصلی آن در نظر گرفتن ویژگی‌های شیمیایی، بیولوژیکی و مکانیکی موادی است که برای این منظور به کار گرفته می‌شوند. در نتیجه باید اعتراف کرد که وارد عصر جدیدی می‌شویم، دورانی که محصولات تولید شده از مهندسی بافت به انتخاب واقع‌بینانه‌ای برای پزشکان در فرآیند درمان‌های پزشکی تبدیل شده است.

مهندسی بافت و انتقال خون

یکی از دلایلی که بافت‌هایی نظیر پوست و غضروف به عنوان نخستین بافت‌های مهندسی شده برای بدن انتخاب شده‌اند این است که در این بافت‌ها خبری از سیستم خونی و رگی گسترده‌ای دیده نمی‌شود اما در بسیاری از بافت‌های بدن این سیستم به طرز خیره‌کننده و گسترده‌ای دیده می‌شود و دشواری‌های موجود برای تامین منابع خونی این بافت‌ها همواره موجب شده است تا ابعاد بافت‌های مهندسی شده محدودتر شود. در نتیجه بسیاری از دانشمندان تمرکز خود را بر روی طراحی رگ‌های خونی معطوف کرده و این استراتژی را با بافت‌های مهندسی شده ترکیب کرده‌اند.

هر بافتی که ضخامتی بیش از 100 میکرون داشته باشد نیازمند رگ خونی و سیستم انتقال خون است زیرا هر سلولی که در بافت وجود دارد، برای جذب اکسیژن و مواد مغذی که به صورت متناوب از این رگ‌ها منتشر می‌شود باید به اندازه کافی به آنها نزدیک باشد. دقیقا مرگ این سلول‌ها زمانی روی می‌دهد که خبری از انتقال مواد غذایی و اکسیژن از این رگ‌ها به سلول‌ها نباشد که در چنین صورتی آسیب‌دیدگی و مرگ سریع سلول‌ها محتمل خواهد بود.

در سال‌های گذشته پیشرفت‌هایی نیز در زمینه تولید رگ‌های خونی برای داخل و خارج از بافت‌های مختلف صورت گرفته است. تکنیک‌های مختلف درمانی نیز در این سال‌ها ارائه شده‌اند که مبتنی بر درک دقیق‌تر دانشمندان از نیازهای محیطی سلول‌های سازنده مویرگ‌ها و رگ‌های بزرگتر هستند. این پیشرفت‌ها در کنار دستیابی دانشمندان به توانایی خیره‌کننده ساخت و طراحی مواد در ریزترین ابعاد راه را برای توسعه فناوری بافت‌های مهندسی شده حامل رگ‌های خونی هموارتر کرده است. به عنوان مثال زمانی که سلول‌های سازنده مویرگ‌ها بر روی چارچوبی قرار می‌گیرند که سطح آن الگویی از ریزشیارهای نانویی دارد، این سلول‌ها ترغیب می‌شوند تا شبکه‌ای از لوله‌های ریزمویرگی را شکل دهند. این شیارها تقلیدی استثنایی از ساختار بافت‌های بدن را به دنبال دارند که نتیجه عملکرد آنها چیزی نیست جز شکل‌گیری رگ‌های خونی.

محققان این عرصه در سال‌های گذشته از ترکیبی از تکنیک‌ها موسوم به ریزسازی استفاده کرده‌اند. این تکنیک هم اکنون برای حکاکی و ایجاد نقش‌های مختلف روی تراشه‌های میکروالکترونیکی برای رایانه‌ها و تلفن‌های همراه به کار گرفته می‌شود. اکنون این تکنیک به کمک محققان پیشرو در مهندسی بافت نیز آمده است و در آزمایشگاه دراپر کمبریج در ماساچوست نتایج جالب توجهی نیز از آن به دست آمده است. این محققان ارائه‌هایی از ریزکانال‌ها را در دل پلیمرهای قابل تجزیه‌ای تولید کرده‌اند که دقیقا تقلیدی از شبکه‌های مویرگی در بافت‌ها را دارد. در این کانال‌ها سلول‌های سازنده رگ‌های خونی را می‌توان به گونه‌ای پرورش داد تا رگ‌های خونی مورد نیاز را تولید کنند و این درحالی است که همزمان به عنوان مانعی مطمئن و طبیعی برای به حداقل رسیدن رسوب خون در دل پلیمر نیز عمل می‌کند. روش دیگری که برای جدا نگاه داشتن سلول‌های و رگ‌ها از یکدیگر اما به اندازه کافی نزدیک به هم برای تبادل اکسیژن و مواد مغذی وجود دارد معلق نگاه داشتن آنها در ژل‌های آبی است که شباهت زیادی به مواد ژلاتینی ساخته شده از شبکه‌های هیدراته پلیمری دارند.

سلول‌های مناسب، سلول‌های هوشمند

در اکثر شرایط، تولید بافت قابل پیوند و کاشت از سلول‌های شخص بیمار را می‌توان به عنوان ایده‌ای مناسب تلقی کرد زیرا این بافت‌ها قابلیت مناسبی برای همخوانی و کنار آمدن با سیستم ایمنی بدن شخص دارند. اگر نگاهی واقع‌بینانه به این فرآیند داشته باشیم، چنین پیوندهایی همچنین با موانع کمتری مواجه خواهند بود زیرا بافت تولید شده‌ای که در این پیوند به کار گرفته می‌شود از بدن خود بیمار تولید شده است. حدود یک دهه پیش محققان این فرض را مطرح کردند که سلول‌ها هوشمند هستند. آنها برای چنین فرضی گفته‌اند که اگر نوع مشخص و صحیحی از سلول‌ها را در مجاورت یکدیگر قرار دهیم، می‌توانند تشخیص دهند که چه کاری باید انجام دهند تا بافت اصلی را تولید کنند. این فرض و نگرش تا حد قابل توجهی موثر و کاربردی بوده است، اما اکنون و به لطف پیشرفت‌هایی که در فناوری مهندسی بافت صورت گرفته مشخص شده است که میان سلول‌ها و محیط اطرافشان در حین تولید بافت و اندام‌های مختلف و همچنین عملکرد روزمره‌شان سیگنال‌های به مراتب پیچیده‌تری رد و بدل می‌شود.

محققان به این نتیجه رسیده‌اند که هر بافتی در بدن وظیفه خاص خود را انجام می‌دهد و از این رو بافت‌های مهندسی شده‌ای که جایگزین آنها می‌شوند نیز باید توانایی لازم در انجام آن وظایف خاص را داشته باشند. از آن گذشته این اصل علمی نیز به اثبات رسیده است که کپی‌سازی زیست‌شناسی بافت‌های مورد نظر آن هم با بالاترین ضریب دقت ممکن برای تولید بافت‌های مهندسی بی‌نقص که بتوانند تمامی وظایف بافت‌های اولیه و طبیعی را انجام دهند، بسیار حیاتی و در موفقیت نهایی پروژه تعیین‌کننده است. در برخی اندام‌های پیچیده‌تر شبکه‌ای از سلول‌ها در قالب یک کنسرت موسیقی عمل می‌کنند. کلیه ازجمله این نوع اندام‌ها است و از این رو توجه به جزء جزء معماری بافت مهندسی شده را باید به عنوان کلید اصلی موفقیت در پروژه‌های مهندسی بافت به حساب آورد.

گرچه این پیشرفت‌ها موجب شده است تا امیدواری‌های تازه‌ای درخصوص ابعاد و تنوع بافت‌های مهندسی شده شکل بگیرد، اما هنوز هم چالش‌های زیادی فراروی محققان این عرصه دیده می‌شود. یکی از این دشواری‌ها نبود دانش مورد نیاز برای تمرکز و ترکیب فاکتورهای رشد و مولکول‌های خارج سلولی است. توسعه دانش فعلی محققان در این خصوص می‌تواند آنها را در ارائه تکنیک‌های بهتر جهت تسریع فرآیند التیام در بافت‌های گوناگون یاری دهد.

نقش‌آفرینی فناوری نانو در مهندسی بافت

فناوری نانو در سال‌های اخیر بیش از هر فناوری دیگر حرف‌های زیادی برای گفتن داشته است. در حقیقت محققان عرصه فناوری مهندسی بافت، فناوری نانو را در فهرست اصلی شیوه‌های کاربردی خود برای طراحی و تولید صفحات مهندسی شده سلول‌های مناسب و در نهایت تولید بافت‌ها و اندام‌های مهندسی شده قرار داده‌اند. در این میان محققی همچون تورو اوکانو از دانشگاه پزشکی زنان توکیو خلاقیت‌های خاصی به خرج داده است. وی سطوحی پوشیده از پلیمر حساس به دما را ارائه کرده است که همزمان با کاهش دما از 37 به 20 درجه سلسیوس متورم می‌شود. در ابتدا سلول‌ها تحریک و به نوعی مجبور می‌شوند تا تک‌لایه‌ای را روی این سطوح مهندسی شده نانویی ایجاد کنند. در ادامه دما کاهش داده شده تا سطح نانویی متورم شده و در نهایت ورقه سلولی تولید شود. این ورقه‌ها قابلیت آن را دارند تا به صورت رول درآمده و برای تولید بافت‌های بزرگ‌تر به کار گرفته شوند.

همان طور که پیشتر نیز گفته شد، در فرآیند توسعه فناوری مهندسی بافت به ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی و زیست‌شناسی ژل‌های آبی به عنوان بستری مناسب جهت توسعه بافت‌های مهندسی شده توجه ویژه‌ای شده است. از آنجا که چنین ویژگی‌هایی در ژل‌های آبی را می‌توان به سرعت مورد دستکاری قرار داد، ثابت شده است که این ژل‌ها ابزار مناسبی برای حمایت و حفاظت از سلول‌های در حال رشد بوده و در عین حال عملکرد نهایی بافت مهندسی شده را نیز ارتقا می‌بخشند. ژل‌های آبی در بر گیرنده سلول‌های زنده‌ای هستند که می‌توان آنها را چاپ کرده و حتی به صورت لایه لایه درآورد تا ساختار صحیحی از بافت مهندسی شده ترسیم شود. علی خادم حسینی محقق و استادیار ایرانی مدرسه پزشکی هاروارد نیز ازجمله محققانی است که دستاوردهای قابل توجهی برای توسعه فناوری مهندسی بافت و ژل‌های آبی داشته است. وی نشان داده است که توده‌های سلولی که با این ژل‌ها پوشانیده شده‌اند را می‌توان برای شمار بسیار زیادی از اشکال قالب‌گیری کرد و در نهایت با ترکیب آنها با یکدیگر الگوهای پیچیده‌تر و بزرگ‌تر ارائه کرد. این تکنیک را می‌توان برای کپی‌برداری از ساختار طبیعی سلول‌ها در بافت‌هایی نظیر کلیه به کار برد.

عصری جدید فراروی زیست‌شناسی

به رغم چالش‌های فراوانی که دانشمندان برای توسعه فناوری مهندسی بافت با آن روبه‌رو هستند، بافت‌های مهندسی شده دیگر به عنوان ایده و تولیداتی فانتزی و نمایشی به شمار نمی‌آیند. هم‌اکنون بافت‌های مهندسی شده که از ساختار ساده‌ای برخوردارند مورد استفاده‌های کلینیکی قرار گرفته‌اند و پیش‌بینی می‌شود در سال‌های آینده ادامه حیات میلیون‌ها بیمار صرفا به استفاده از این بافت‌ها بستگی داشته باشد. براساس برآوردهای صورت گرفته، تا پایان سال 2008 محصولات تولید شده با استفاده از فناوری مهندسی بافت فروش سالانه‌ای به ارزش تقریبی 5/1 میلیارد دلار داشته‌اند. یکی دیگر از این چالش‌ها، جلب‌نظر نهادها و سازمان‌هایی نظیر سازمان غذا و داروی آمریکا)FDA( است. این نگرانی مطرح شده است که بافت‌هایی که به این ترتیب تولید می‌شوند در بدن افراد مختلف دارای عملکردهای گوناگونی باشند. از این رو پیش‌بینی می‌شود تا فیلترهای تاییدی بسیار سخت و متعددی فراروی این فناوری نوین وجود داشته باشد.

مهدی کیا
منبع: scientific american