06. دوره مهندسی بافت

Description

مهندسی بافت

بخش اول
مقدمه

١. مقدمه اي بر زيست شناسی مولكولي و سلولي
٢. مقدمه اي بر بافت شناسی
٣.ديدگاه هاي تاريخي , معرفي مهندسي بافت و اهداف آن

بخش دوم

آشنايي با بيومتريال و نانوبيومتريال

١. دسته بندي بيومواد در پزشكي
٢. كاربرد شيشه ها و سراميك ها به عنوان بيومواد
٣. كاربرد فلزات به عنوان بيومواد
٤. كاربرد پليمرها به عنوان بيومواد
٥. كاربرد هيدروژل ها به عنوان بيومواد
٦. كاربرد كامپوزيت ها به عنوان بيومواد
٧. كاربردهاي بايومتريال در مهندسي بافت
٨. نانو ساختارها
٩. معرفي انواع نانوذرات

• نانوذرات كربني
•  فلزي
•  ليپيدي
•  پليمري
•  سراميكي
•  كامپوزيتي
•  كربن دات

١٠. كاربردهايي نانو بيومتريال در مهندسي بافت

بخش سوم
مباني مهندسي بافت

١. معرفي پزشكي بازساختي
٢. سلول درماني
٣. مهندسي بافت
۴. روش هاي طراحي و ساخت داربست ها در پزشكي بازساختي

• معرفي انواع داربست ها
• تكنيك هاي آزمايشگاهي ساخت انواع داربست
  Solvent casting and particulate leaching
  Phase-separated
  Gas foaming
  Fiber meshes/fiber bonding
  Melt molding
  Solution casting
  Freeze drying
  Binder jetting (inkjet 3D printing)
  Electrospinning

۵. روش هاي نو ظهور در مهندسي بافت
Synthetic biomaterials
3D-bioprinting
Microfabrication Techniques
Combined techniques
Cell reprogramming
۶. كاربرد بيوراكتورها در مهندسي بافت
٧. كاربري مهندسي بافت در ترميم بافت استخوان و غضروف
٨. حوزه هاي چالش برانگيز در مهندسي بافت
٩. ملاحظات اخلاقي مهندسي بافت

بخش چهارم

مشخصه يابي داربست ها در مهندسي بافت

١. مشخصه يابي سا ختاري

•  ارزيابي مورفولوژي داربست ها
•  ارزيابي به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي و انتقالي (TEM,SEM) / آناليز كمي اجزاي تصوير با نرم افزار ImageJ
•  تكنيك هاي اسپكتروسكوپي در شناسايي ساختار(Vis-UV , NMR , Raman , ATR ,FTIR) / آناليز طيف سنجي با نرم
  افزار OriginPro
•  ارزيابي كريستالوگرافي داربست مبتني بر اشعه ايكس (XRD) / آناليز كريستالوگرافي با نرم افزار Plus HighScore XPert
  آناليز سطح ويژه و تخلخل سنجي (BET)
• ارزيابي آب دوستي سطح داربست ها
• ارزيابي خواص فيزيكي و مكانيكي داربست ها

٢. مشخصه يابي حرارتي

•  ارزيابي حرارتي داربست ها ( DMTA , DTG ,TGA, DSC) / انجام ارزيابي با نرم افزارOriginPro

٣. مشخصه يابي زيست تخريب پذيري

•  ارزيابي تخريب پذيري داربست
•  ارزيابي ميزان تورم داربست

بخش پنجم

زيست سازگاري درمهندسي بافت

١. زيست سازگاري و ايمونولوژي
٢. آزمون هاي زيست سازگاري
٣. معرفي استانداردهاي زيست سازگاري
۴. اثر متقابل سلول و بايومتريال
۵. واكنش هاي بافت خون و بيومتريال
۶. ساختمان ميكروبي و خواص مواد قابل كاشت در بدن
٧. سرطان زايي و بيومتريال ها
٨. خواص فيزيكو شيميايي بيومتريال ها و زيست سازگاري آنها
٩. شناسايي بافت هاي سخت و نرم و خواص ويسكو الاستيك آنها
١٠. خون سازگاري و عوامل موثر برآن
١١. روش هاي شناسايي ميزان خون سازگاري
١٢. روشهاي ساخت بيومتريال هاي خون سازگار
١٣. سيستم هاي آزمون زيست سازگاري

١۴. آزمون هاي بافت سازگاري بيومتريال در خارج بدن
١۵. آزمون هاي بافت سازگاري بيومتريال در داخل بدن
١۶. تكنيكهاي شناسايي بافتهاي اطراف محل كاشت بيومتريال، تكنيك هاي ميكروسكوپي
١٧. آزمونهاي مكانيكي بيومتريالها قبل و بعد از كاشت
١٨. تجزيه پذيري بيومتريالها در محيط بيولوژيكي و تجزيه شيميايي و تجزيه بيولوژيكي
١٩. چسبندگي انواع سلولهاي حياتي به زيست سازگارها

مهندسی بافت چیست و چه کاربردهایی دارد؟

مهندسی بافت علمی است که از ترکیب داربست، سلول و مولکول‌های زیستی فعال برای ساخت بافتی جهت بازسازی یا حفظ عملکرد و بهبود بافت آسیب‌دیده یا حتی یک اندام در آزمایشگاه استفاده می‌کند. پوست و غضروف مصنوعی ازجمله بافت‌های مهندسی شده‌ای هستند که سازمان غذا و دارو آمریکا (FDA) آن‌ها را برای استفاده بالینی تایید کرده است.

مهندسی بافت چیست ؟

اساس مهندسی بافت از ۳۰ سال پیش (دهه ۹۰ میلادی) تاکنون ثابت است. این فرایند با برقراری پیوند بین علم مواد و زیست‌شناسی، به بازسازی بافت و عملکرد اندام‌ها کمک می‌کند. در مهندسی بافت، ماده‌ای زیست تخریب‌پذیر که در محیط بدن خودبه‌خود از بین می‌رود، ساختاری شبیه به یکی از بافت‌ها یا اندام‌های آسیب‌دیده درمی‌آید. به ایبن ساختار داربست می‌گویند. سلول‌های مناسب برای تشکیل بافت موردنظر روی این داربست قرار می‌گیرند. داربست در بدن جاندار کاشته می‌شود و با «تکثیر سلول‌ها» (Proliferation)، تشکیل اتصالات بین سلولی و در نهایت تشکیل بافت، داربست کم‌کم از بین می‌رود.

داربست در مهندسی بافت

«داربست» (Scaffolds) ساختارهایی هستند که شرایطی شبیه به ماتریکس خارج سلولی داخل بدن را برای تکثیر، رشد و اتصالات سلول‌ها در محیط آزمایشگاهی فراهم می‌کنند. وظایف این ساختار به شرح زیر است.

• فراهم کردن محیطی برای اتصال، مهاجرت، رشد و «تمایز» (Differentiation) سلول‌ها در «شرایط آزمایشگاهی» (in vitro) و «محیط داخلی بدن» (in vivo)
• فراهم کردن شکل و حمایت مکانیکی برای بافت آسیب‌دیده و حفظ استحکام بافت مهندسی شده
• برهم‌کنش فعال با سلول‌ها برای تسهیل فرایندهای مختلف ازجمله تکثیر و تمایز
• منبع ذخیره و ناقلی برای فاکتورهای رشد
• فراهم کردن حجم کافی برای تشکیل رگ‌های خونی و شکل‌گیری بافت

ویژگی‌های داربست‌های مهندسی بافت

داربست‌ها یکی از سه جزو اصلی در مهندسی بافت هستند که ساختاری سه‌بعدی برای انجام فرایندهای سلولی فراهم می‌کنند. این ساختار سه‌بعدی نیاز به ویژگی‌های ساختاری، زیستی و مکانیکی مشخصی برای کمک به انجام این فرایندها دارد.

• ویژگی‌های ساختاری

داربست‌ها باید فضای کافی برای تشکیل بافت را در اختیار سلول‌ها قرار دهند. برای انتقال مواد موردنیاز سلول این ساختارها باید تخلخل و همزمان استحکام کافی داشته باشند. هم‌چنین سرعت تخریب آن‌ها باید با سرعت تشکیل بافت جدید متناسب باشد.

• ویژگی‌های زیستی

داربست‌ها باید با بدن موجود زنده تعامل داشته باشند و برای فرایندهای سلولی آسیبی ایجاد نکنند. سه ویژگی زیر کمک می‌کنند داربست و بدن موجود زنده ارتباط بهتری برقرار کنند.

• «زیست‌سازگاری» (Biocompatibility)
• «زیست‌فعالی» (Bioactivity)
• «زیست‌تخریب‌پذیری» (Biodegradable)

• زیست سازگاری

داربست‌ها باید برای رشد، تکثیر و تمایز سلول‌های گرفته شده از بدن «خود فرد» (Auotogenic)، «انسان دیگر» (Allogenic) یا سلول‌های گرفته شده از «گونه‌های دیگر» (Xenogenic)، در محیط آزمایشگاهی و بدن انسان سازگار باشند. به این ویژگی زیست‌سازگاری گفته می‌شود. ترکیبات زیست‌سازگار برای سلول‌ها و بافت‌های بدن سمی نیستند و واکنش‌های ایمنی و حساسیت ایجاد نمی‌کنند.

• زیست‌فعالی

برای برهم‌کنش فعال با سلول‌ها و مولکول‌های زیستی لازم است داربست‌ها زیست‌فعال باشند. برهم‌کنش با مولکول‌های زیستی برای شکل‌گیری بافت، اتصالات بین سلولی، تمایز و انتقال پیام‌های شیمیایی نقش مهمی دارد. هم‌چنین داربست باید با مولکول‌های فاکتور رشد سازگاری باشد و توانایی کپسوله و ذخیره کردن فاکتورهای رشد خارج از بدن را داشته باشد. برای مثال داربست‌های هیدروژلی با پیوندهای کووالانسی یا یونی ساخته می‌شوند که پروتئین‌ها را در خود نگه می‌دارند و با جذب آب آزاد می‌کنند.

• زیست‌تخریب‌پذیری

داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر از موادی تشکیل می‌شوند که به‌راحتی در بدن یا طبیعت از بین می‌روند و به مولکول‌های غیرسمی تبدیل می‌شوند که دفع آن‌ها انسان را دچار دردسر نمی‌کند. داربست‌هایی که از مواد طبیعی مثل پلیمر آلژینات ساخته می‌شوند این ویژگی را دارند.

• ویژگی‌های مکانیکی داربست

داربست‌ها در بافت‌های آسیب‌دیده، حمایت مکانیکی فراهم و به پایداری شکل بافت کمک می‌کنند. حمایت مکانیکی از آسیب بیشتر بافت جلوگیری می‌کند. همچنین داربست با حفظ شکل بافت به حفظ عملکرد اندام کمک می‌کند. مقاومت در برابر فشار و ضربه، خاصیت کشسانی و استحکام داربست باید تا حد زیادی مشابه بافت طبیعی باشد.

روش‌های داربستی در مهندسی بافت

۴ روش بر اساس داربست برای مهندسی بافت گسترش یافته است. این روش‌ها شامل موارد زیر می‌شوند.

• داربست‌های متخلل پیش‌ساخته که برای کاشت سلول است.
• ماتریکس خارج سلولیِ سلول‌زدایی شده که از بدن انسان یا گونه‌های دیگر گرفته می‌شود.
• صفحات سلولی که همراه ماتریکس خارج سلولی ترشح شده از سلول است.
• هیدروژل‌های حاصل از خودآرایی که سلول‌ها را کپسوله می‌کنند.

داربست متخلخل پیش‌ساخته

داربست‌ها در این روش معمولا از مواد زیست‌تخریب‌پذیر ساخته می‌شوند، سلول‌ها روی آن قرار می‌گیرند و سپس در بافت یا اندام موردنظر پیوند داده می‌شوند. مسئله اصلی در استفاده از داربست‌های سنتزی ویژگی زیست‌سازگاری آن‌ها است. به همین دلیل از فرایندهای مختلفی برای ایجاد تغییرات سطحی و افزایش زیست‌سازگاری در این داربست‌ها استفاده می‌شود. ترکیبات سازنده این داربست‌ها از دو دسته مواد معدنی و آلی تشکیل شده است.

داربست مهندسی بافت از چه موادی ساخته می‌شود؟

داربست‌های مهندسی بافت از مواد معدنی و آلی ساخته می‌شوند. سرامیک یکی از مواد معدنی پرکاربرد در ساخت داربست‌ها است که به دلیل ویژگی‌های مکانیکی که دارد (تحمل فشار بالا و سختی زیاد) در مهندسی بافت‌های سخت مثل استخوان کاربرد بیشتری دارد. مواد آلی به دو دسته پلیمرهای طبیعی و سنتزی تقسیم می‌شوند که بیشتر در مهندسی بافت‌های نرم مثل ماهیچه قلب از آن‌ها استفاده می‌کنند.

                                                                           

                                                                             تصویر میکروسکوپ الکترونی نگاره (SEM) از داربست شیشه-سرامیک برای ترمیم بافت استخوانخصوصیت‌سنجی داربست‌های مهندسی بافتبرای رسیدن به بهترین نتیجه در مهندسی بافت ویژگی‌های شیمیایی، وزن مولکولی، حساسیت دمایی، «ریخت‌شناسی» (Morphology) سطح و ویژگی‌های مکانیکی داربست‌ها قبل از استفاده باید ارزیابی و خصوصیت‌سنجی شوند. برای سنجش این ویژگی‌ها از روش‌های زیر بهره می‌بریم.

• ویژگی‌های شیمیایی: برای بررسی ویژگی‌های شیمیایی و بررسی پیوندها، اتصال عرضی و «عاملی شدن سطح» (Surface Modification) داربست از چند روش معمول استفاده می‌کنیم.
  • طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)
  • طیف سنجی مارون قرمز (FTIR)
  • کروماتوگرافی گاز-مایع
  • طیف سنجی رامان
• تعیین وزن مولکولی: وزن مولکولی پلیمر پیش‌ساز به کمک دو روش اندازی‌گیری می‌شود.
  • طیف سنجی جرمی
  • کروماتوگرافی ژلی
• حساسیت‌های دمایی: نقطه ذوب و دمای تبدیل شیشه ($$T_g$$) پلیمر پیش‌ساز با دو روش اندازه‌گیری می‌شود.
  • «کالری‌متری افتراقی» (Differential Scanning Calorimetry | DSC)
  • «آنالیز توزین حرارتی» (Thermogravimetric analysis | TGA)
• ریخت‌شناسی سطح: برای بررسی ساختار سطح داربست، اندازه و شکل منافذ و قطر فیبرهای آن بیشتر از دو نوع میکروسکوپ استفاده می‌کنیم.
  • میکروسکوپ الکترونی نگاره (SEM)
  • میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
• ویژگی‌های مکانیکی: برای ارزیابی ویژگی‌های مکانیکی داربست‌ها و پلیمر سازنده آن‌ها ازجمله تحمل فشار، خاصیت کشسانی و ویسکوزیته از روش‌های زیر استفاده می‌کنیم.
  • «جریان شناسی» (Rheology)
  • «آزمون کشش» (Tensile Testing)
  • «آزمون تراکمی» (Compressive Testing)

سلول‌ها و مهندسی بافت

ساخت بافت مهندسی شده در محیط آزمایشگاهی نیاز به تکثیر، رشد و تمایز سلول‌ها دارد. از دو دسته سلول در مهندسی بافت استفاده می‌شود.

• سلول‌های فرد بیمار: در این روش از سلول‌های بالغی استفاده می‌شود. سلول‌های بالغ فرد فقط رشد می‌کنند و تکثیر می‌شوند. این سلول‌ها، توانایی تمایز ندارند. برداشت این سلول‌ها با روش‌های تهاجمی است و ممکن است با درد و آسیب بیمار همراه باشد. به علاوه، محیط این سلول‌ها بسیار تخصص‌یافته است و اغلب بازسازی آن در محیط آزمایشگاهی را دشوار می‌کند.
• سلول‌های بنیادی: سه دسته از سلول‌های بنیادی در مهندسی بافت استفاده می‌شود.

• سلول‌های بنیادی جنینی
• سلول‌های بنیادی مزانشیمی در مغز استخوان
• سلول‌های بنیادی مزانشیمی در نخاع

                                                             

                                                                                                                  تمایز سلول‌های بنیادی در مهندسی بافت

سلول‌های بنیادی جنینی

سلول‌های بنیادی جنینی «همه‌توان» (Pluripotent) هستند و به همه رده‌های سلولی تمایز می‌یابند. به علاوه، این سلول‌ها می‌توانند بافت‌هایی کاملا یکسان با بافت فرد بسازند. برای استفاده از این سلول‌ها در مهندسی بافت باید اطمینان حاصل شود که سلول‌های تمایزیافته روی داربست قرار می‌گیرند.

سلول‌های بنیادی مغز استخوان

سلول‌های بنیادی مغزاستخوان «چندتوان» (Multipotent) هستند و به رده‌های سلول‌های خونی و سلول‌های استخوانی و غضروفی تمایز پیدا می‌کنند.

سلول‌های بنیادی نخاع

سلول‌های بنیادی نخاع مثل مغزاستخوان سلول‌های چندتوان هستند. این سلول‌ها به سلول‌های چربی، استخوانی، کبدی و سلول‌های شبیه به نورون‌ها تمایز می‌یابند.

                                                                       

                                                                                                                    سلول‌های بنیادی در مهندسی بافت

مزایا و چالش‌های استفاده از هر نوع سلول در مهندسی بافت در جدول زیر آمده است.

مهندسی بافت قلب

بیماری‌های قلبی یکی از دلایل پیشتاز در مرگ و میر سالانه کشورها است. این بیماری‌ها ممکن است انقباض ماهیچه قلب یا خون‌رسانی به آن را مختل کنند. درمان این بیماری‌ها به دلیل تنوع زیاد عوامل ایجادکننده، از فنرگذاری رگ تا پیوند قلب را شامل می‌شود. به همین دلیل این بیماری‌ها توجه زیادی برای استفاده از درمان‌های مهندسی بافت را به خود جلب کرده‌اند. چند نمونه از این روش‌های درمانی در زیر آمده است.

• رگ‌های مهندسی بافت شده در درمان تصلب شریان
• پیوند داربست حاوی سلول‌های بنیادی در «بافت‌هایی با مشکل نارسایی خون» (Ischemic Tissue)
• دریچه قلب مصنوعی
• پمپ ایجاد کننده ضربان
• جایگزینی بطن در «سندرم رشد ناکامل قلب چپ» (Hypoplastic Left Heart Syndrome)

و …