مقاله مروری بر اساس مهندسی بافت قلب با استفاده از داربستهای طبیعی

بخشی از مقاله

مروری بر اساس مهندسی بافت قلب با استفاده از داربستهای طبیعی

چکیده

رویکردهای مهندسی بافت قلبی برای تهیهی مواد در دو حالت بدون سلول و همچنین با سلول برای بازیابی و ترمیم بطن انفارکتوس شده در قلب و انسجام آن با بافت بدن میزبان بررسی شدهاند. در حالی که داربستهای سنتزی در سالهای گذشته توجه جامعهی جراحان را به خود جلب نموده بود، بیومواد جدیدی امروزه با تکیه بر ایدهی استفاده از ماتریکس خارج سلولی حاصل از روشهای سلولزدایی در حال ظهور میباشند. بیومواد حاصل از ماتریکس خارج سلولی در سالیان اخیر برای مهندسی بافت قلب و ترمیم بافت بطنی آسیب دیده به صورت منفرد و در ترکیب با مواد دیگر استفاده شده و نتایج مثبتی از آن حاصل شدهاست. داربستهای بیولوژیک استفاده شده به منظور بازسازی بافت قلبی آسیب دیده، معمولاً خاصیت مکانیکی بالایی نداشته و قابلیت هدایت چند ویژگی مفید تنها با استفاده از یک نوع بافت امکان پذیر نیست؛ لذا جهت بهبود این خصوصیات میتوان با اتخاذ استراتژی مناسبی جهت استفاده از چند مادهی متفاوت به صورت هدفمند، با توجه به فاکتورهای رشد گوناگونی که در هر بافت یافت میشود، نسبت به بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و همچنین خواص زیستی داربست مورد نظر اقدام نمود. همچنین با توجه به ویژگی بارز برخی از بیومتریالهای بیوپلیمری استفاده شده در مهندسی بافت میتوان از خواص مناسب آنها در این زمینه نیز بهره برد. آینده به احتمال زیاد در زمینهی بیومواد هیبریدی و کامپوزیتی در بازسازی بافت قلبی تحولهای شگرفی را تجربه خواهد نمود.

کلمات کلیدی: مهندسی بافت، قلب، داربست هیبریدی، داربست طبیعی

.1 مقدمه

بیماری های انسدادی قلبی1 و بیماریهای مربوط به عروق کرونری از دسته عوامل درجه اول در مرگ و میر در جوامع غربی هستند. هر ساله تعداد زیادی از افراد دچار این بیماریها میشوند. در یک دههی گذشته، تحقیقات و درمانهای پزشکی در این عرصه پیشرفت چشمگیری داشتهاست که این روش های درمانی توانستهاند کیفیت زندگی بسیاری از بیماران را افزایش دهند. با این وجود راهکارهای محدودی نیز وجود دارند که از پیشرفت بیماریهای قلبی جلوگیری میکنند. این دسته از درمانها به طور کلی مربوط به بیماریهایی است که به دلیل از بین رفتن سلولهای عضلهی قلبی2 بوده و در آنها عمل انقباضی قلب با مشکل مواجه میشود.[2 ,1] پیوند قلب3 در حال حاضر به عنوان آخرین گزینهی درمانی برای بیماران قلبی در نظر گرفته میشود؛ اما این درمان نیز به دلیل کمبود اهدا کنندگان و همچنین رد پیوند به دلیل واکنش سیستم ایمنی بدن بیماران، محدود شده است. مطالعات پیش کلینیکی، نتایج قابل توجهی بخصوص در بیمارانی که در کوتاه مدت پیگیری شدند، داشتهاست. با توجه به اینکه در بسیاری از تحقیقات، بیماران به صورت کوتاه مدت پیگیری شدهاند، نتایج استفاده شده از سلول درمانی، در کوتاه مدت همان نتایج استفاده از داروهای گوناگون در بلندمدت را داشتهاست.[6-3] سلول درمانی، نرخ مرگ درون زاد سلولهای عضله 4 را کاهش میدهد و همچنین در این درمانها رگزایی جدید5 به صورت بهبود یافته و نیز شکل گیری مجدد بطنی6 به صورت مثبتتر احتمالا به دلیل ترشحات پاراکرین7 مشاهده شدهاست. موفقیت اندک این روش درمانی بخصوص در پیگیریهای بلندمدت، به دلیل عدم توانایی سلولهای پیوند زده شده نسبت به ساخت و افزایش تعداد سلولهای عضلهی قلبی بودهاست. یکی دیگر از نقاط ضعف این درمان محدودیت در حفظ سلول، بقای آنها و مرگ سلولی بالا و آپوپتوز این سلولها پس از پیوند در عضلهی قلبی بیمار است.[7] علاوه بر این، در بیماریهای ایسکمی قلبی، سلولهای عضلهی قلبی و همچنین ماتریکس خارج سلولی8، تخریب شده و یا تغییر یافتهاند؛ بنابراین، انتخاب و توسعهی یک روش طوری که سلولهای قلبی و همچنین ماتریکس سه بعدی قلب را بازسازی کند، مهم و ضروری است. مهندسی بافت قلب با ایجاد شرایط مناسب جهت ترکیب سلولها و داربست سه بعدی، این امکان را میدهد که همزمان یک ساختار مکانیکی محافظ برای سلولهای قلبی و نیز حضور سلولهای قلبی به منظور بازسازی بافت آسیب دیده را داشته باشیم.

.2 مهندسی بافت قلب به منظور ترمیم قلب

سازههای مهندسی بافت امکان بهبود بافت قلبی آسیب دیده پس از جراحی را افزایش میدهند. پچ های قلبی و دریچههای قلبی دقیقاً در خصوص نوزادان با بیماریهای مشخص مادرزادی و یا افراد بزرگسال با بیماریهای مادرزادی و یا اکتسابی استفاده میشوند.[9 ,8] مواد پیوندی سنتزی موجود در حال حاضر، از نظر زیستی خنثی بوده و در بدن سفت شده9، کلسیفه10 میشوند و

ممکن است به دلیل شکست و یا ایجاد ترومبوز نیاز به جراحی مجدد داشته باشند. برای نوزادان، مادهی سنتزی استفاده شده، به موازات بزرگتر شدن نوزاد، رشد نمیکنند و هیچ یک از مواد سنتزی قابلیت استفاده در دوران رشد را برای قلب نوزاد ندارند و نیز به صورت همزمان با قلب به تپش درنمیآیند.[8] با رشد دانش در خصوص بیولوژی سلولهای بنیادی، مهندسی بافت قلب به عنوان استراتژی استفاده از سلولها و داربستهای مهندسی شده به صورت همزمان در حال رشد است تا سازهای جهت بازسازی بافت آسیب دیده در قلب تهیه شود. ماتریکس استفاده شده باید نقش حمایت مکانیکی برای بافت بطن قلبی ایفا کرده و از انبساط بیش از حد عضلهی بطن قلب ممانعت نموده و همچنین یک ساختار سه بعدی مناسب برای سلولهای پیوند شده جهت حفظ، تغذیه، رشد و تمایز آنها ایجاد کند. ماتریکس ایدهآل بایستی زیست تخریبپذیر1 بوده، سیستم ایمنی بدن را تحریک نکند و خواص الکترومکانیکی بافت قلب را حفظ نموده و توسط ماتریکس خارج سلولی جدید جایگزین شود. به طور کلی دو رویکرد برای مهندسی بافت قلب وجود دارند؛ مهندسی بافت قلب در شرایط برون تن و درون تن. (شکل (1

مهندسی بافت قلب در شرایط برون تن مبتنی بر کاشت سلولها بر روی داربستهای متخلخلی است که قبلاً ساخته شدهاند. سلولها در شرایط خاص و کنترل شده کشت میشوند و در این پروسه سعی بر زنده ماندن، تکثیر و تمایز این سلولها است. (شکل (1 پچ ساخته شده در نهایت به منظور ایجاد یک ساختار حمایتی مکانیکی جهت حفاظت از بافت قلبی آسیب دیده، بر روی لایهی پریکارد در قلب قرار میگیرد. در این روش، ترشح مواد به صورت پاراکرین2 از سلولهای مورد بحث نیز قابل توجه است. ماتریکس تهیه شده و همچنین پارامترهای کشت سلولی در این پروسه، نقش مهمی در هدایت و انسجام سلولهای کاشت شده در داربست ایفا میکنند تا بدین صورت ساختاری پچ مانند تهیه شود که تا جای ممکن مشابه بافت قلب عمل کند. مزیت رویکرد برون تن در ساخت داربستهای موجود، قابلیت کنترل اندازه و شکل ساختار و همچنین میزان تمایز سلولی و حفظ انسجام سلولهای کاشته شده است. عیب اصلی این روش، در حقیقت نیاز به نفوذ مواد غذایی برای تغذیه ی سلولها میباشد که در نهایت موجب محدود شدن ضخامت ساختار می شود. بنابراین رگزایی به عنوان یک عامل ضروری علاوه بر لزوم فعالیت طبیعی سلولها در بافت قلبی فاکتور مهمی در این پروسه به حساب میآید. (جدول (2 استفاده از یک بیوراکتور نفوذی3 میتواند میزان بقای سلولهای کشت شده در داربست را افزایش دهد[11 ,10] و یا از طریق اعمال تنش مکانیکی، تمایز سلولی را ممکن سازد.[12 ,11]

شکل-1 رویکردهای مهندسی بافت قلب[13]

مهندسی بافت قلب به صورت درون تن1 و یا درمحل2 در سالهای اخیر مورد آزمایش قرار گرفته و شامل تزریق یک ماتریکس از بیومواد به صورت منفرد و یا به همراه سلولها به محل آسیب میباشد. در این روش، سلولها و داربست در هم مخلوط شده و در دیوارهی بطنی به قلب تزریق میشوند(شکل .(1 این روش درمان، بقا و اقامت سلولهای پیوند شده را افزایش داده و همزمان، ساختار حمایتی مکانیکی را برای عضلهی قلب آسیب دیده فراهم مینمایند(جدول .(1 مزیت این روش درمانی ترمیم و بازسازی بافت آسیب دیدهی قلبی در شرایط محیط طبیعی بافتی در محل آسیب است. این رویکرد ساده و قابل انجام است، اما تمایز و رشد سلولی در مقیاسی که در شرایط برون تن قابلیت کنترل داشتند، در این روش کنترل پذیر نیستند.

جدول -1 طراحی تجربی مطالعات مهندسی بافت قلب در شرایط برون تن

.3 اهمیت ماتریکس خارج سلولی1 سلول زدایی شده

این دیدگاه که ماتریکس خارج سلولی جزیی غیرفعال در بافت قلبی بوده و تنها حمایت مکانیکی برای سلولهای ساکن در آن فراهم میآورد، در دههی گذشته تغییر کرده است. ماتریکس خارج سلولی نقش مهمی در همئوستاز2 بافت بازی کرده و تکثیر، تمایز و مهاجرت سلولی را تنظیم مینماید. در طول تحولات دوران جنینی، ساختارهای ماتریکس خارج سلولی به شیوههایی خاص تغییر پیدا نموده و فاکتورهای این ماتریکس مانند کلاژن، فیبرونکتین3 و یا لامینین4 در مقیاسها و درجههای گوناگونی بیان میشوند.[36] این یافتهها قابلیت دارند که در مقیاس برون تن نیز اعمال شوند؛ چراکه ساختارهای سه بعدی در کشت با القای طبیعت بالغ5 بافت، موجب تمایز بهتر سلولهای بنیادی در مقایسه با کشتهای دوبعدی میشوند.[37] با توجه به این موارد، مشخص شده است که افزایش غلظت لامینین و فیبرونکتین در یک غشای ماتریکسی پایه کلاژنی به ترتیب موجب تمایز سلولهای بنیادی به ردهی قلبی و اندوتلیال میشود.[38] ماتریکس خارج سلولی در عملکرد سلولهای عضلهی قلبی و فیبروبلاست در واکنش به نیروهای فیزیکی عضلهی قلبی که مسیرهای خاص سیگنالی را درون سلولها فعال میکند، نقش تعیین کننده ایفا میکند.[40 ,39] به طور خلاصه، واضح است که برای دستیابی به ترمیم قلب و بازیابی عملکرد بطنی توسط مهندسی بافت قلب، انتخاب اساسی به صورت منبع مناسب سلولی و نیز یک ماتریکس مناسب برای اعمال در محل آسیب است. ماتریکس، بایستی رشد، تکثیر و تمایز سلولها را حمایت نموده و بایستی خواص فیزیکی و مکانیکی مناسب برای حفظ ساختار طبیعی بافت قلبی را داشته باشد. از سوی دیگر، داربست بایستی رشد و رگزایی سلولهای ساکن در بافت را ترغیب نموده و نیز بایستی از نظر الکترومکانیکی با بافت قلبی اطراف همگن شود. راهکارهای متعددی در مهندسی بافت قلب وجود دارند که انتخاب آنها منوط به منبع سلولی و کاربرد مورد نظر برای ترمیم بافت آسیب دیده است.

.4 بیومواد تهیه شده از بافت سلول زدایی شده

استفاده از بافت اصلی و جداسازی ماتریکس خارج سلولی از بافت قلبی یکی دیگر از فرصتهای جالب و جدید برای تکامل مهندسی بافت قلب است. مزیت بالای این روش حضور تمام مواد گوناگون زیست فعال در کنار هم و همچنین استفاد ه از ساختار و معماری طبیعی بافت مورد نظر میباشد. پروتکلهای گوناگونی برای جداسازی ماتریکس خارج سلولی در طی سالهای گذشته مطرح شدهاند که در آنها از مواد گوناگونی برای سلول زدایی از بافت و جداسازی ماتریکس خارج سلولی استفاده شده است. بادیلاک و همکارانش ماتریکس بدون سلول مشتق شده از خوک را برای بازسازی بطن راست در یک مدل خوکی استفاده نمودند. در این پژوهش از مخاط رودهی کوچک1 خوک (SIS) و ماتریکس مثانه(UBM) 2 به صورت پچ استفاده شد. پچهای ایمپلنت شده به طور کامل توسط بافت میزبان جایگزین شده و سلولهای گوناگونی بر روی آنها رشد نمودند. رگزایی به خوبی اتفاق افتاده و بازسازی تخریبی بافت قلبی به خوبی کاهش یافته است.[41] همین گروه UBM و پلیتترافلورواتیلن انبساطی3 (ePTFE) را در دیوارهی بطن چپ در یک مدل خوکی دچار انفارکتوس قلبی پیوند زدند.[42] ماتریکس پس از یک ماه قابل مشاهده بود؛ اما پس از گذشت 3 ماه به طور کامل جذب شده بود. پس از 3 ماه، داربستهای UBM حضور سلولهای فیبروبلاست عضلهای و نواحی سلولی که هردو نوع سلولهای قلبی و عضلهی صاف را داشتند، موجب شد. این نشانهها به صورت کلی بیانگر نکات مثبتی در روند بازسازی بافت عضلهی قلبی بودند.[42] اهمیت ساختار و معماری طبیعی بافتی توسط اوت و همکارانش گزارش شده است.[43] در این تحقیق ایشان قلب کامل زیست مصنوعی را تولید کردند. این محققین، قلب رت را به صورت کامل سلول زدایی نمودند. در این پژوهش جهت گیری الیاف کلاژن نوع یک و سه، لامینین و فیبرونکتین در بافت قلبی حفظ شد. پس از آن همین داربست کامل توسط تزریق درون دیوارهای توسط سلولهای مشتق شده از بافت قلبی و نفوذ سلولهای اندوتلیال آئورت رت بارگذاری شد. پس از کشت این ساختار به مدت 8 روز در یک بیوراکتور با شبیهسازی جریانهای انقباضی سیستولی و دیاستولی قلبی، ساختار تهیه شده، فعالیت الکتریکی پیدا کرده و نسبت به داروها واکنش نشان دادهاست.[43] این مقالهی بنیادی نقطه عطفی در مهندسی بافت ارگانها میباشد. با وجود موفقیتهای بسیار این پژوهش، اما کاربردهای کلینیکی این درمان محدود است. اما از این مدل میتوان برای بررسی اثرات داروهای مختلف بر روی قلب در آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده نمود.

.5 بیومواد سنتزی برای مهندسی بافت قلب

ماتریکس سنتزی شامل دستههای مختلفی از مواد زیست تخریب پذیر همچون پلی استر، پلی لاکتونها و پلی یورتانها میباشد. اعضای مشهور و نام آشنای این خانواده در دستهی پلی استرها که برای کاربردهای سنتزی در مهندسی بافت استفاده شدهاند پلی گلایکولیک اسید([46-44] (PGA، پلی لاکتیک اسید [47] (PLA)، کوپلیمر پلی لاکتیک-گلایکولیک اسید (PLGA) [48] هستند. مزیت اصلی این مواد این است که تخلخل، چگالی، ساختار و ترکیب این ساختارها قابل کنترل هستند و قابلیت طراحی برای سلولها و کاربردهای گوناگون را دارند. به همین دلیل استفادهی این مواد برای ارگانها و بافتهای مختلفی در بدن گزارش شده است. ترکیب مقادیر مختلفی از مواد با همدیگر امکان کنترل میزان تخریب پذیری این داربستها را فراهم میکند.[49] متاسفانه واکنش ایمنی نسبت به ایمپلنت کردن این مواد گزارش شده است[50] و تجمع متابولیتهای اسیدی این مواد در بدن برای سلولهای میزبان میتواند سمی باشد.[51] مواد سنتزی خواص بیولوژیکی و فعالیت زیستی که مواد طبیعی و بیولوژیک در رابطه با فعالیت سلولی و تنظیم ترشحات و تمایز آنها ایفا میکنند، ندارند. به همین دلیل، ترکیبات متعددی از مواد

سنتزی و بیولوژیک مورد استفاده قرار گرفتهاند. مزیت استفاده از مواد سنتزی امکان تنظیم ساختار و معماری مواد قبل از استفاده از آنها در بدن و همچنین کنترل خواص فیزیکی آنها در تعامل با سلولهای مورد استفاده و در تماس با داربست است. در بیشتر کاربردهای هیبریدی استفاده از پلیمر سنتزی مورد نیاز است تا ساختار ماتریکس مورد نظر طراحی شده و خواص مکانیکی مناسب و همچنین درجه ی زیست تخریب پذیری کنترل شود. از سوی دیگر، داربستهای طبیعی، بقا، تکثیر و تمایز سلولهای بارگذاری شده را کنترل خواهد نمود. به طور خلاصه، مواد سنتزی کلاس دیگری از پلیمرها را تشکیل میدهند که برای مهندسی بافت استفاده میشود. ویژگی اساسی این مواد قابلیت کنترل خواص فیزیکی، تخریبی و مورفولوژیکی آنها میباشد. معمولا از این مواد به صورت ترکیبی با پپتیدهای زیست فعال استفاده میکنند. استفاده از موادی همچون پلیکاپرولاکتون به همراه مواد بیولوژیکی مانند کیتوسان [52]، فیبرین[53]، فیبرونکتین [53] و ژلاتین [54] نیز استفاده شدهاست. در نهایت جنبهی مهمی که باید مورد ارزیابی قرار بگیرد، احتمال واکنش سیستم ایمنی بدن و یا احتمال وجود محصولات سمی جانبی است که حین زیست تخریب پذیری این مواد از آنها آزاد میشود.

6. خواص مکانیکی میوکارد در قلب سالم و انفارکتوس شده

خواص میکرومکانیکی بافت میوکارد بوسیلهی میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) 1 در مورد رت و موش انجام شدهاست. این محاسبات در بافتهای تازه که حاوی سلول و ماتریکس خارج سلولی است، و هم در ماتریکس خارج سلولی بدون سلول انجام شدهاست.[55] برای محاسبهی خواص مکانیکی ماتریکس خارج سلولی، ابتدا با روشهای موجود بافت را سلولزدایی نموده و سپس خواص ماتریکس خارج سلولی را محاسبه خواهند کرد. نتایج این محاسبات همانطور که در شکل 5 مشهود است، خواص میکرومکانیکی بافت قلب را در دو حالت سالم و انفارکتوس شده بیان نمودهاست. در این خصوص مشاهده شده که با ورود میوکارد به فاز انفارکتوس، مدول یانگ موثر آن افزایش یافته و در کل خواص مکانیکی آن نسبت به بافت طبیعی و سالم، بالاتر است. همچنین دادههای ویسکوالاستیک حاصل از این بررسی نشان داده که خواص ویسکوالاستیک در بافت انفارکتوس شده به سمت جامد شدن پیش میرود. همانطور که مشاهده میشود، خواص بافت انفارکتوس شده، تقریباً سه برابر بافت سالم میباشد.[55] این افزایش در خواص مکانیکی موجب نقص عملکرد بافت قلبی در آن ناحیه شده و همچنین موجب افزایش این نقص و وسعت گرفتن آن میشود که در مرحلهی نهایی موجب مرگ بیمار خواهد شد. خواص مکانیکی ذاتی در ماتریکس خارج سلولی قلب سالم و انفارکتوس شده در مدل حیوانی موش بوسیلهی تکنیک AFM انجام شدهاست. نکتهی قابل توجه، ناهمگنی در خواص مکانیکی بافت قلبی در بخشهای گوناگون بطن قلب میباشد. مدول یانگ ماتریکس خارج سلولی در بافت قلب سالم در محدودهی 30 تا 75 کیلوپاسکال است[55] و این مقدار بستگی به ترکیبات تشکیل دهندهی ماتریکس خارج سلولی دارد. ماتریکس قلبی با دارا بودن مقدار تانژانت اتلاف بیشتر از یک، رفتار ویسکوالاستیک شبه جامد دارد. انفارکتوس میوکارد، موجب افزایش در سفتی ماتریکس قلبی شده که به دلیل افزایش رفتار ویسکوز در بافت قلبی میباشد. این پدیده موجب کاهش عملکرد بافت میوکارد بر اثر اتلاف بیشتر انرژی به دلیل اصطکاک سلولی ایجاد شده در آن ناحیه میگردد. سفتی ذاتی تودهای ماتریکس قلبی به میزان یک برابر، کمتر از مقادیر گزارش شده برای ماتریکس سلولزدایی شده است. این دادهها و اطلاعات مکانیکی کمک بسیاری در طراحی داربستهای گوناگون برای بازسازی بافت میوکارد مینماید به طوری که با همگونی خواص مکانیکی و ویسکوالاستیکی داربست و بافت میوکارد سالم، روند بهبود بافت قلبی سرعت بیشتری داشته باشد.