مهندسی بافت در دستگاه عصبی

دستگاه عصبی, چالشی را در حیطه مهندسی بافت ارایه می کند زیرا بخشی از معماری و شیمی دستگاه عصبی به تازگی کشف شده است آمیخته ای از پیشرفت در زیست شناسی عصبی, فنون انتقال ژن و بیومواد در سطح ملکولی, مهندسی بافت سیستم عصبی را ایجاد کرده است

دستگاه عصبی، چالشی را در حیطه مهندسی بافت ارایه می‌کند زیرا بخشی از معماری و شیمی دستگاه عصبی به تازگی کشف شده است. آمیخته ای از پیشرفت در زیست شناسی عصبی، فنون انتقال ژن و بیومواد در سطح ملکولی، مهندسی بافت سیستم عصبی را ایجاد کرده است. ‌مهندسی بافت دستگاه عصبی یعنی علم طراحی، ساخت و تشخیص سیستم‌هایی که در آنجا سلول های عصبی به شیوه ای کنترل شده فعالیت های مناسب برای تشخیص، التیام و درمان سیستم عصبی را انجام می دهند. سازماندهی سلولی شامل کنترل تعاملات و واکنش های بین سلولی میان سلول ها و محیط اطراف آن‌ها است.

عملکرد و ترمیم سلول‌های عصبی وابسته به برنامه ریزی ذاتی ژنتیکی و محیط خارج سلولی آن‌ها است. پیشرفت‌های اخیر در زمینه زیست شناسی ملکولی و تکنیک‌های انتقال ژن، طراحی سلول‌های زیست فعال را ممکن می سازد. بدین منظور از کپسوله کردن این سلول‌ها در یک لایه نازک پلیمری با ویژگی‌های فیزیکی شیمیایی، وزنی و ترکیب شیمیایی شناخته شده استفاده می شود تا به کنترل واکنش‌های میزبان و بافت پیوند شده کمک کند. کنترل محیط خارج سلولی می تواند روشی برای کنترل و تحریک سلول ها یا بافت باشد. در حال حاضر، مهندسی بافت در دستگاه عصبی شامل موارد زیر است:

۱) جایگزین کاربردی برای یک مؤلفه فعال عصبی از بین رفته

‌۲) بازسازی بافت عصبی تخریب شده

‌۳) ساخت بیوسنسورهای عصبی هوشمند مبتنی بر سلول و مدارهای عصبی ساده در شرایطin vitro‌

● رهایش یک مؤلفه عصبی فعال از دست رفته در دستگاه عصبی ‌

تا کنون فقدان عوامل فعال عصبی خاص در چند نوع اختلال عصبی مشاهده شده است. این عوامل ممکن است شامل انتقال دهنده های عصبی، عوامل تغذیه ای عصبی یا آنزیم ها باشند. به عنوان مثال، بخشی از مدار گانگلیا که نقش مهمی در کنترل حرکت ایفا می کند، شامل نرون های مخطط است که دوپامین را از جسم سیاه دریافت می کند. فقدان دوپامین به دنبال تخریب سلول های عصبی مولد دوپامین در جسم سیاه، مسئول بیماری پارکینسون است. نقش مهندسی بافت در این شرایط به دو بخش تقسیم می شود: ۱) رهایش فاکتور از بین رفته (در اینجا دوپامین) به محل هدف باید ارزیابی شود تا علایم بیماری پارکینسون مانند: لرزش غیر ارادی، عدم تحرک و سفتی کاهش یابد ۲) دومین وظیفه شامل ترمیم، یا جایگزین کردن بافت تخریب شده است که در این حالت سلول های زاینده دوپامین از جسم سیاه با روش های مهندسی تحریک می شوند تا به سمت سلول های مخطط حرکت کنند و به‌وسیله ورودی های مولد دوپامین عصب رسانی به سلول های هدف مخطط انجام شود. تا کنون تلاش های زیادی صورت گرفته که از طریق پیوند بافت جنینی عصبی به طور کنترل شده یا با غلاف های عصبی از جنس پلیمر مصنوعی و ماتریس خارج سلولی به این اهداف برسند.‌ البته‌ هر دو راهکار ذکر شده کاملا انحصاری نیستند و نیاز به بررسی دارند.

اولین رویکرد به سیستم های مهندسی منجر شد که به واسطه آن عوامل فعال عصبی ممکن است در بخش هایی که دارای کمبود این عوامل هستند رها می شوند. شایان ذکر است که این رویکرد، تلاش برای رهایش فاکتورهای فعال عصبی به مناطق هدف، فقط جایگزین یک بخش از آناتومی سیستم عصبی و عوامل شیمیایی آن در مغز می شود. هدف آن بازسازی کامل حالت فیزیک سیناپسی اولیه قبل از بیماری نیست. چندین موضوع در طراحی یک سیستم رهایشی برای عوامل فعال عصبی وجود دارد. الف) عوامل فعال باید به سلول های عصبی دسترسی داشته باشد؛ ب) تأثیر این عوامل باید موضعی باشد؛ ج) مقدار عوامل فعال باید در محیط ذخیره اش ثابت بماند و د) رهایش باید مستمر و کنترل شده باشد. ‌

‌ تلاش‌هایی که برای تامین این نیازها صورت گرفته شامل استفاده از:

۱) پمپ ها ‌

پمپ ها برای رهایش مواد مسکن از طریق سخت شامه استفاده شده اند تا درد را در بیماران مبتلا به سرطان مزمن تسکین دهند. همچنین پمپ ها برای رهایش درون بطنی عوامل تغذیه ای عصب نظیر‌NGF‌ جهت پیوند سلول های کرومافین در درمان بیماری پارکینسون یا به عنوان یک پتانسیل درمانی برای بیماری آلزایمر استفاده شده اند. همچنین یک نوع مینی پمپ اسمزی‌ALZET‌ برای رهایش محلول حاوی دوپامین یا گیرنده مهاری دوپامین به کار برده شده است. اما، بازه زمانی کوتاه چهار هفته ای ممکن است آن‌ها را به لحاظ بالینی غیر کاربردی سازد و معمولا همراه با خطراتی نظیر داشتن منبع عظیم دارو در شرایط‌in vivo‌ است که می‌تواند خطر دمپینگ عامل فعال عصبی را به دنبال داشته باشد. همچنین، عفونت و محدودیت نفوذ نیز برخی از مشکلات همراه با این تکنولوژی است. به‌علاوه باید در نظر داشت که عواملی نظیر دوپامین به لحاظ شیمیایی خیلی ناپایدار هستند و در محلول های بدون آنتی اکسیدان نیمه عمر کوتاه دارند و ممکن است توسط سیستم های مخزنی رهایش صورت نگیرد. این مشکل را می توان از طریق برخی از روش‌های رهایش که در ادامه توضیح داده می‌شود مانند سیستم های پلیمری با رهایش آهسته برطرف کرد.‌

۲) سیستم‌های پلیمری با ترشح آهسته

گزارش شده است که اعمال ال دوپا(‌L-dopa‌) پیش ساز دوپامین، همراه با بازدارنده دکربوکسیلاز، یک روش مؤثر برای کاهش برخی از نشانه های حرکتی بیماری پارکینسون است. اگرچه، مشاهده شده که پس از چند سال اعمال دارو از طریق دهان، پاسخ بالینی شروع به نوسان می کند که می تواند مربوط به نوسانات سطح ال دوپا در پلاسما باشد. رهایش آهسته سیستم پلیمری اتیلن وینیل استیلن که با ال دوپا بارگذاری شده می تواند پس از ترزیق به موش‌ها ثابت باقی بماند و سطح ال دوپا را در پلاسما برای حداقل ۲۲۵ روز نگه دارد. سیستم های رهایش پلیمری شامل به دام اندازی مولکول مورد نیاز داخل یک ماتریس پلیمری است رهایش آن به آهستگی صورت می گیرد و ممکن است در رسیدن به برخی اهداف سیستم رهایش ایده آل به مغز موفق عمل کند. از محاسن این روش این است داروهایی با نیمه عمر کوتاه در‌in vivo‌ می تواند از تخریب محافظت شوند و از تاثیرات جانبی مضر اعمال مرتب دارو جلوگیری شود و با طراحی مناسب سیستم، سطح دوز مصرفی می تواند در یک دامنه مطلوب نزدیک به رهایش درجه صفر باقی بماند.

از جمله معایب این سیستم عبارتند از: مقدار بارگذاری محدود و دشواری رهایش یا تنظیم سطح دوز مصرفی بیماران . برای رهایش طولانی مدت، برای شکل قطعه پلیمری محدودیت وجود دارد که می تواند احتمال کاشت درون مغزی را برای رهایش متمرکزتر عامل فعال عصبی محدود کند. برای غلبه بر این مشکل از لیپوزوم های حاوی دوپامین کاشته شده در مدل حیوانی موش‌‌(rodent)‌‌ برای درمان بیماری پارکینسون استفاده شده است . بهبود نسبی در مدل حیوانی موش با این شیوه درمانی اتفاق افتاده است. در حالی که لیپوزوم‌ها روشی امیدوارکننده برای رهایش فاکتورهای تغذیه رسانی عصب هستند، این تکنیک به دلیل محدودیت هایی مثل دوره موثر زمانی کوتاه هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده است. در حال حاضر تحقیقات گسترده‌ای برای ساخت غشاء‌های لیپوزومی هوشمندی که به بافت‌های هدف ویژه می‌چسبند در حال انجام است که می تواند روشی جالب برای رهایش فاکتورهای فعال عصبی به مناطق خاص در مغز باشد. ‌

۳) پیوند سلولی

پیشرفت های اخیر در زمینه زیست شناسی ملکولی و تکنیک های انتقال ژن منجر به دستیابی به منابع غنی سلولی که ترکیبات فعال عصبی متنوع ترشح می‌کنند. که شامل سلول‌هایی هستند که باعث آزادسازی انتقال دهنده‌های عصبی، عوامل تغذیه عصبی یا آنزیم‌ می‌شوند. بنابراین، ممکن است از نظر کاربردی پیوند سلول‌ها، روش مناسبی برای بازسازی ساختار اولیه میزبان باشد. استفاده از یک منبع سلولی برای عوامل مختلف شیمیایی عصب، یک مزیت مهم است زیرا سلول‌ها به‌وسیله تقسیم سلولی تکثیر می‌شوند؛ از ترکیبات مغذی مانند اکسیژن و گلوکز و غیره استفاده کنند؛ و طی یک دوره زمانی طولانی عوامل مورد نیاز را تولید و آزاد می سازند. این راهکار بر کمبودهای روش پیشین غلبه می کند زیرا هیچ نوع منبع ذخیره عوامل شیمیایی عصبی در مقدار زیاد وجود ندارد و ذخیره تا زمانی که سلول‌های پیوند یافته زنده هستند ادامه می یابد و فنوتیپ و بیان ژنی آن‌ها برای درمان ژنی حفظ می‌شود. برخی از بافت‌هایی که تاکنون به‌طور تجربی پیوند داده شده است را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

▪ ‌پیوند سلولهای اولیه اتولوگ

این روش شامل تهیه سلول های اولیه از میزبان است. به عنوان مثال، سلول‌های اتولوگ شوان که جداسازی و در مغز پیوند زده شده، افزایش بازسازی عصب شبکیه را نشان داده است. که فرض می شود این امر به واسطه ترشح عواملی صورت می گیرد که بر بازسازی تأثیرگذار هستند. سلول های اتولوگ شوآن به‌عنوان پل‌های عصبی می‌توانند به بازسازی عصب سیاتیک موش پس از قطع آکسون کمک کنند. فیبروبلاست های پوستی اولیه به لحاظ ژنتیکی طوری تنظیم شده اند تا ال دو پا، مولکول پیش ساز دوپامین، را ترشح کنند پس از آن به‌صورت برون مغزی در داخل جسم مخطط اتولوگ میزبان پیوند شوند و نتایج نشان داده که بازیابی رفتاری در مدل موش برای بیماری پارکینسون امکان‌پذیر است. گروه مشابه ای نیز گزارش کرده‌اند که فاکتور رشد عصب، تیروسین هیدروکسیلاز، گلوتامیک اسید دکربوکسیلاز و کولین استیل ترانسفراز می توانند به‌طور موفق آمیز به فیبروبلاست‌های اولیه اعمال شوند. البته، همیشه امکان تهیه بافت اتولوگ وجود ندارد. منابع دیگری از بافت‌ها شامل بافت جنینی کشف شده که معمولا همراه با مهار سیستم ایمنی هستند. ‌

▪ پیوند بافت جنینی

بافت عصبی جنینی برای جایگزینی بافت عصبی تخریب شده از منابع آلوژنیک تهیه می‌شوند. پیوند آلوگرافت‌های بافت عصبی جنینی می تواند در درمان برخی بیماری‌های تخریب کننده دستگاه عصبی، مانند بیماری پارکینسون مفید باشد. البته، مهار سیستم ایمنی برای جلوگیری از عدم پذیرش این بافت ها کافی نیست. ‌

▪ پلیمرها، عوامل رشد و ترمیم بافت

تقویت و تحریک بازسازی عصبی یک وظیفه مهم برای بازسازی بافت در دستگاه عصبی است. کانال های هدایت کننده مصنوعی عصب‌‌(NGCs) برای مطالعه مکانیسم‌های بنیادی ترمیم عصبی محیطی پستانداران پس از آسیب عصب و افزایش بازسازی عصب استفاده شده اند. کانال‌های هدایت‌کننده ممکن است ترمیم انتها تا انتهای عصب را ساده سازد و در ترمیم شکاف‌های طویل عصبی مفید باشد. کانال هدایت کننده، فشار را در خط بخیه کاهش می‌دهد و از تجمع بافت اِسکار در عصبی که در حال ترمیم است جلوگیری می‌کند و آکسون‌های در حال رشد را به سمت اهداف انتهایی شان هدایت می کند. ویژگی‌های کانال هدایت‌کننده را می توان برای بهینه سازی فرایند ترمیم اصلاح کرد. همچنین، کانال های هدایت کننده عصب می تواند برای ایجاد یک محیط کنترل شده در محل بازسازی روند. ویژگی های کانال، ماتریس پر کننده‌ NGC، سلول‌هایی که در داخل حفره کانال قرار می گیرند و تحریک پلیمرها برای جوش خوردن آکسون می توانند راهکارهایی باشند که برای بهینه سازی و افزایش ترمیم عصب و تأثیر بر بازسازی بافت عصبی به‌کار برده شوند.‌

● ویژگی های استفاده از کانال ها

در زمان گذشته، زیست سازگاری یک ماده زیستی از طریق درجه کنش پذیری یا عدم واکنش آن هنگامی که در بدن کاشته می شدند، ارزیابی می‌شد، اما نتایج نشان داده است که پاسخ بافت میزبان به ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی و ساختاری ماده زیستی کاشته شده مربوط است که همین امر به طراحی موادی که می توانند پاسخ فعال و مفیدی را برای دستکاری ویژگی‌های ریزساختاری، نفوذپذیری، خواص الکتریکی و بارگذاری دیواره کانال با ترکیبات فعال عصبی که بعدا به‌طور موضعی در داخل محیط ترمیم رها شوند و غیره منجر شده است. ‌

● مورفولوژی

مورفولوژی عصب های محیطی ترمیم کننده توسط میکرو کامپیوترهای سطحی کانال‌های هدایت‌کننده پلیمری تنظیم می‌شود کانال‌های دارای دیواره داخلی صاف، موجب تشکیل ماتریس‌های منظم و طولی رشته ای می شوند که این امر منجر به شکل گیری طناب‌های عصبی مجزایی با تعداد زیادی آکسون‌های دارای غلاف میلین می‌شوند. ولی، سطح داخلی ناهموار کانال‌ها موجب شکل گیری یک ماتریس نامنظم رشته ای با تعداد بسیار کمی آکسون‌های ترمیمی می شود. بنابراین، ویژگی‌های فیزیکی و تخلخل کانال می تواند بر رفتار بافت تأثیر بگذارد.‌

● ویژگی‌های الکتریکی

گزارش شده است که بازسازی در آزمایش‌in vivo‌ به‌دنبال برش مقطعی در اعصاب محیطی، به‌وسیله جریان های گالوانوتروپی تولید شده در کانال های سیلیکونی مجهز به گیره‌های الکترود افزایش می یابد. تیوب های پلی تترافلوئورواتیلن‌‌(PTFE)که دارای بار الکتریکی ساکن هستند در مقایسه با تیوب های بدون بار، آکسون‌های میلین دار بیشتری از خود نشان می دهند. کانال‌های پلیمری پیزوالکتریک که به لحاظ دینامیکی فعال هستند نیز موجب افزایش ترمیم در عصب سیاتیک موش بالغ شده اند.‌

● رهایش عوامل زیست فعال از دیواره کانال

کانال هدایت کننده پلیمری را می توان برای مطالعه و افزایش بازسازی عصب با عوامل مختلفی بار گذاری کرد. رهایش فاکتور رشد فیبروبلاست از کانال هدایت کننده کوپلیمر اتیلن وینیل استات ترمیم عصب محیطی را پس از جراحت عصب سیاتیک موش در امتداد شکاف‌های عصبی تسهیل کرد. آزاد سازی عوامل مناسب تغذیه عصبی به‌ویژه می تواند زیر مجموعه های آکسون‌ها، یعنی سلول‌های عصبی حرکتی یا حسی را افزایش دهد.

● ترمیم دستگاه عصبی مرکزی (‌CNS‌)

بیشتر مطالعات فوق در دستگاه عصبی محیطی (‌)PNS‌ صورت گرفته است. لوله‌های از جنس کوپلیمر آکریلیک نیمه تراوا موجب اتصال عصب بینایی خرگوش که به صورت عرضی قطع شده است. بازسازی عصب کولینرژیک در دیواره لوله های حاوی سلول‌های شوآن، نشانگر تأثیر سلول‌های شوآن در ترغیب ترمیم آکسونی دستگاه عصبی مرکزی(‌CNS‌) هستند. در یک پژوهش دیگر، کانال‌های هدایت کننده عصبی پلیمری که حاوی سلول‌های بالغ شوان معلق در‌ECM‌ هستند، پس از آسیب در تیغه هیپوکامپ موش‌های فیشر کاشته شدند. در نتیجه، آکسون‌های حاوی استیل کولین استرآز پس از دو هفته وارد مجرای کانال شدند. مطالعه میکروسکوپی انتقال الکترونی، واکنش سلول شوآن را با آکسون‌های میزبان نشان می‌دهد. بنابراین، کانال‌های هدایت‌کننده پلیمری، ماتریس‌های مناسب و فاکتورهای رشد، با یکدیگر می توانند محیطی مناسب برای تحریک ترمیم دستگاه عصبی مرکزی ایجاد کنند.

● مدارهای عصبی و بیوسنسورها

ویژگی‌های الکتروشیمیایی و شیمیایی الکتریکی سلول‌های عصبی می‌تواند پایه ساخت یک بیوسنسور باشد. همچنین، اطلاعات منحصر به فردی که قابلیت‌های سلول‌های عصبی را از طریق تنظیم سیناپسی پردازش می کند، می تواند اساس طراحی مدارهای عصبی ساده در شرایط‌in vitro‌ باشد. برای هر دو کاربرد فوق الذکر، کنترل چسبندگی سلول عصبی که محکم به زمینه چسبیده و همچنین حساسیت زمینه به برداشتن یا نظارت بر فعالیت الکتریکی سلول با یک میکرو الکترود حساس در جای خود قرار داد.

استفاده از مواد زیست فعال، که برای کنترل چسبندگی سلول بر روی سطح مناسب هستند و نیز تمایل به تولید عناصر حساس الکتریکی دارند، مانند ترانزیستور اثر میدان( ‌FET‌) ، یک روش برای تحقق بخشیدن به این سیستم است. اولیگو پپتیدهای مشتق شده از پروتئین‌های بزرگتر خارج سلولی، نظیر لامینین، از طریق گیرنده های سطح سلول، واسطه‌ اتصال سلول‌های ویژه می‌شوند. ‌

کشت سلولی بر روی غشاهای پلیمری اصلاح شده با عناصر پپتیدی زیست فعال بالا می تواند به سیستمی منتهی شود که در آن بتوان اتصال و رشد سلول عصبی را کنترل کند. موارد ثبت شده اولیه حاصل از اتصال عصب وسیلیسیم مبتنی بر‌FET‌ با استفاده از سلول‌های رتزیوس زالو گزارش شده است. با وجود مشکلات زیاد، این روش می تواند اساس ساخت "تراشه عصبی" باشد. یک تراشه عصبی می تواند به طور بالقوه سلول‌های عصبی را به دانش الکترونیک بیرونی جهت کاربرد در حسگرهای زیستی مبتنی بر پایه سلول عصبی، مدارهای عصبی و اندام های مصنوعی ارتباط دهد. برای نیل به این هدف، اصلاح سطحی پلیمر و کاربرد هوشمندانه اجزای ماتریس خارج سلولی باید از طریق اتصال انتخابی انجام شود.‌

پیشرفت در روش‌های انتقال ژن و زیست شناسی سلولی و ملکولی ابزار توانمندی را در جایگزینی کاربردی بافت‌های مختلف دستگاه عصبی ارائه می کند. هر یک از این موارد را می توان با طراحی و انتخاب محیط مناسب سلولی، بهینه ساخت. مواد بنیادی که تمایز عصبی را در دو یا سه بعد حمایت می کنند، می توانند نقش مهمی را در استفاده از پیشرفت‌های زیست‌شناسی سلولی و ملکولی ایفا کنند. بنابراین، هدف این پژوهش ارتباط ماتریس‌های خارج‌سلولی با نشانه‌های مناسب فیزیکی، شیمیایی و زیستی است که می تواند در بهینه ساختن نقش سلول‌های پیوند‌یافته، القای ترمیم عصب، یا در ساخت بافت‌های عصبی در دو و سه بعد آن‌هم به شیوه ای کنترل شده، حائز اهمیت باشد. طراحی و ساخت کنترل شده‌ هیدروژل‌های پلیمری و داربست‌های پلیمری در مقیاسی که مناسب سلول‌های منفرد باشد نیز مهم است.

مولکول‌های زیستی نظیر لامینین، کولاژن،‌ فیبرونکتین و تناسین می توانند مسیرهایی جذاب و مجاز برای رشد آکسون‌ها فراهم آورند. از طرف دیگر، نشان داده شده است که برخی از پروتئوگلایکان‌های سولفاته شده، مانع یا دافع اعصاب هستند . کاربرد این ملکول‌ها به همراه درک واضح‌تر واکنش بین ماتریس و سلول به واسطه پروتئین‌، می تواند مسیر را برای مهندسی بافت عصبی، ملکول به ملکول، در سه بعد هموار سازد. بنابراین، امکان اتصال ماده‌ ژنتیکی یک سلول و کنترل بیان ژنتیکی برای تنظیم محیط خارج سلولی آن، موجب می‌شود که مهندسی بافت دستگاه عصبی به یک تلاش رقابت انگیز مبدل شود ‌

مهندس مهدی درویش پور