غضروف مهندسي‌شده براي درمان شكستگي استخوان

تيمي از پژوهشگران مركز سلامتي Uconn Health سيستم هيدروژلي هيبريدي جديدي طراحي كردند كه بتواند برخي از اشكالات ترميم استخوان آسيب‌ديده را حل كند. اين تيم علمي به رهبري جراح ارتوپد سيام نوكاواراپو، يافته‌هاي خود را در Journal of Biomedical Materials Research-Part B تشريح كرده است.

بيش از ۲۰۰ استخوان در ساختار اسكلتي يك انسان بالغ وجود دارد كه اندازه‌ي آن‌ها از ۲ ميلي‌متر تا بيش از ۳۰ سانتي‌متر است. چگونگي شكل‌گيري استخوان‌ها و نحوه‌ي ترميم آن‌ها پس از آسيب‌ديدگي، از موضوعات مورد توجه بسياري از پژوهشگران حوزه‌ي درمان‌هاي ترميمي است.

تشكيل غضروف از طريق ماتريكس خارج سلولي مهندسي‌شده

دو فرايند براي توسعه‌ي اسكلت انسان وجود دارند كه به تشكيل و رشد تمام استخوان‌هاي بدن ما كمك مي‌كنند. نام اين فرآيندها، استخوا‌ن‌سازي درون غشايي (Intramembranous ossification) و استخوان‌سازي درون غضروفي (Endochondral ossification) است و به‌ ترتيب با علامت‌هاي اختصاري IO و EO نشان داده مي‌شوند. استخوان‌سازي درون غشايي، فرايند مسئول تشكيل استخوان‌هاي پهن است و استخوان‌سازي درون غضروفي، فرايندي است كه طي آن استخوان‌هاي بلند مانند استخوان ران و بازو ساخته مي‌شوند. براي انجام هر دو فرآيند و براي آغاز رشد استخوان جديد، به سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي عمومي (Mesenchymal stem cells:MSCs) نياز است.

با وجود اين شباهت در دو فرآيند استخوان‌سازي، توليد IO در آزمايشگاه ساده‌تر است؛ زيرا سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي مي‌توانند بدون گذراندن هيچ مرحله‌ي ديگري مستقيما تمايز پيدا كنند و تبديل به سلول‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي استخوان شوند. با اين حال، اين سادگي نسبي با محدويت‌هايي همراه است. تيم مطالعاتي مركز Uconn Health براي جلوگيري از اشكالات مرتبط با IO، در صدد طراحي يك ماتريكس برون‌ياخته‌اي يا خارج سلولي مهندسي‌شده برآمد كه با استفاده از هيدروژل‌ها، تشكيل استخوان‌ها طي EO را هدايت و حمايت كند. ناكاواراپو مي‌گويد:

تاكنون مطالعات بسيار معدودي روي طراحي ماتريكس‌هايي براي استخوان‌سازي درون غضروفي به‌منظور ساخت مجدد و ترميم استخوان انجام شده است. ما توانستيم با ايجاد يك تركيب هيدروژلي هيبريد، ماتريكس خارج سلولي مهندسي‌شده توليد كنيم كه بتواند از تشكيل قالب غضروف حمايت كند.

ناكاواراپو اشاره مي‌كند كه در فرآيند ترميم و بازسازي استخوان، ايجاد عروق خوني عامل كليدي است. اشكال اصلي، استخوان تشكيل‌شده طي IO توسط فقدان عروق خوني است؛ يعني فرآيند IO قادر به بازتوليد بافت استخواني كافي نيست تا بتواند براي ترميم نقايص استخواني بزرگ حاصل از آسيب يا بيماري‌هايي چون پوكي استخوان به‌ كار برده شود. اگرچه پژوهشگران زيادي سعي كرده‌اند در اين مورد استراتژي‌هاي مختلفي به‌ كار گيرند؛ ولي هنوز تشكيل رگ‌هاي خوني در فرآيند IO يك اشكال جدي است.

درحالي‌كه سادگي IO محدوديت‌هايي هم دارد، مزاياي EO هم همراه با عمل متعادل‌سازي پيچيده‌اي است. EO نياز به هماهنگي دقيق فضايي و زماني عناصر مختلفي مانند سلول‌ها، فاكتورهاي رشد و يك ماتريكس خارج سلولي يا داربستي دارد؛ پديده‌اي كه سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي روي آن متصل شوند و تكثير و تمايز يابند. ناكاواراپو و همكارانش براي رسيدن به اين تعادل ظريف در شرايط آزمايشگاه، دو ماده‌ي شناخته‌شده براي تحريك بازسازي بافت يعني فيبرين و هيالورونان را براي ايجاد يك ماتريكس خارج سلولي مؤثر براي تشكيل استخوان‌هاي بلند، تركيب كردند. ژل فيبرين مشابه سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي استخوان انسان و در افزايش تراكم آن‌ها مؤثر است؛ عاملي كه براي تمايز سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي به سلول‌هاي غضروفي ضرورت دارد. هيالورونان كه به‌طور طبيعي يك پليمر زيستي است، مراحل بعدي فرآيند را كه در آن سلول‌هاي غضروفي تمايز، رشد و تكثير مي‌يابند، تقليد مي‌كند.

ناكاواراپو مي‌گويد استفاده از ماتريكس‌هاي شبه‌غضروف مي‌تواند منجر به توسعه‌ي استراتژي‌هاي ترميم جديد استخوان شود كه در آن فاكتورهاي رشد مضر دخالت نداشته باشند.

اين پژوهش‌ هنوز در مراحل اوليه خود است؛ ولي اين پيشرفت‌ها پيام آور نوآوري‌هاي آينده هستند. فعاليت‌هاي آزمايشگاه‌هاي UConn در زمينه‌ي نوآوري‌هاي مؤثر براي پيشرفت‌هاي علمي در زمينه‌هاي مراقبت‌هاي بهداشتي، مهندسي، علوم مواد و بسياري از زمينه‌هاي ديگر معروف شده است. برنامه‌ي بعدي پژوهشگران، تلفيق ماتريكس خارج سلولي هيبريدي با داربستي است كه قادر به تحمل بار باشد و در نهايت غضروف‌هايي ايجاد شود كه مناسب ترميم استخوان‌هاي بلند باشند.