تسریع استخوان‌سازی با الهام از طبیعت/ساخت بستر هوشمند هدایت سلول‌های بنیادی به استخوان

پولادزاده با یادآوری اینکه پژوهش در حوزه مهندسی بافت استخوان و طب بازساختی اجرا شده است، گفت: این حوزه‌ در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی جهان تبدیل شده، چرا که با افزایش آسیب‌های استخوانی ناشی از حوادث، بیماری‌ها و افزایش سن، نیاز به روش‌های نوین برای ترمیم و بازسازی بافت استخوان بیش از گذشته احساس می‌شود.

وی با اشاره به توجه ویژه محققان به استفاده از سلول‌های بنیادی برای درمان و بازسازی بافت‌های آسیب‌ دیده در سال‌های اخیر، اظهار کرد: با این وجود هدایت مؤثر این سلول‌ها به سمت تشکیل بافت استخوانی همچنان یکی از چالش‌های اصلی این حوزه به شمار می‌رود. از این رو هدف این پژوهش طراحی یک بستر هوشمند با الهام از خواص زیستی بافت استخوان بود تا بدون استفاده از عوامل شیمیایی و تنها از طریق شبیه‌سازی ویژگی‌های فیزیکی بافت طبیعی استخوان، سلول‌های بنیادی را به سمت تشکیل بافت استخوانی هدایت کند.

این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: برای دستیابی به این هدف، تلاش شد دو ویژگی مهم بافت استخوان به طور همزمان بازسازی شود؛ نخست ساختار و الگوی اختصاصی سلول‌های استخوان‌ساز و دوم خاصیت پیزوالکتریک طبیعی استخوان که در پاسخ به نیروهای مکانیکی در بدن ایجاد می‌شود. انتظار می‌رفت ترکیب این دو عامل بتواند محیطی نزدیک‌تر به شرایط طبیعی بدن ایجاد کرده و فرآیند استخوان‌سازی را تسریع ببخشد.

این پژوهشگر درباره نتایج حاصل از این طرح تحقیقاتی گفت: نتایج نشان داد بسترهای طراحی‌شده توانسته‌اند بدون استفاده از عوامل شیمیایی و تنها با بهره‌گیری از محرک‌های فیزیکی، فرآیند تمایز استخوانی سلول‌های بنیادی را به طور مؤثری تسریع کنند. سلول‌های بنیادی کشت‌شده روی این بسترها رشد و زنده‌مانی مطلوبی داشته و با سرعت بیشتری به سلول‌های استخوان‌ساز تبدیل شدند.

این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر تاکید کرد: بررسی‌های سلولی و مولکولی نشان داد نشانگرهای اصلی استخوان‌سازی در مدت زمان کوتاهی فعال شده‌اند و نشانه‌های اولیه تشکیل بافت استخوان تنها پس از هفت روز مشاهده شده است. این یافته‌ها بیانگر توانایی بالای بسترهای طراحی‌شده در ایجاد محیطی مشابه بافت طبیعی استخوان و تسریع فرآیند استخوان‌ سازی است.

پولادزاده با بیان اینکه اهمیت این دستاورد در بهره‌گیری همزمان از دو عامل فیزیکی کلیدی نهفته است، اظهار کرد: در این سامانه برای نخستین بار از اثر هم‌افزایی توپوگرافی اختصاصی سلول‌های استخوانی و خواص پیزوالکتریک برای هدایت سلول‌های بنیادی استفاده شده است. این فناوری می‌تواند زمینه‌ساز توسعه روش‌های ایمن‌تر، کم‌هزینه‌تر و نزدیک‌تر به شرایط طبیعی بدن در حوزه پزشکی بازساختی باشد.

وی با بیان اینکه این تحقیق با استخراج سلول‌های استخوانی یا اوستئوبلاست از بافت طبیعی استخوان آغاز شد، یادآور شد: پس از جداسازی سلول‌ها، از ساختار سطحی آن‌ها به روش قالب‌گیری سلولی الگوبرداری شد تا توپوگرافی غشای پلاسمایی سلول‌های استخوان‌ساز به طور دقیق روی بسترهای مهندسی‌شده بازسازی شود.

پولادزاده ادامه داد: پژوهش در دو مرحله مجزا انجام شد. در مرحله نخست عملکرد بسترهای پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) حاوی نانوذرات باریوم تیتانات (BaTiO3) در شرایط برون‌تنی بررسی شد و در مرحله دوم بسترهای PDMS حاوی نانوالیاف الکتروریسی‌شده پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) و نانوالیاف PVDF/BaTiO3 مورد ارزیابی قرار گرفتند. هدف از طراحی این سامانه، بازسازی همزمان خواص توپوگرافی سطحی و رفتار الکترومکانیکی بافت طبیعی استخوان بود.

وی گفت: پس از ساخت بسترها، میزان اثربخشی آن‌ها در القای تمایز استخوانی سلول‌های بنیادی بررسی شد. در این مرحله، سلول‌های بنیادی استخراج‌شده از بافت چربی روی بسترها کشت داده شدند و با اعمال کرنش‌های مکانیکی در محدوده فیزیولوژیک، میزان رشد، زنده‌مانی و تمایز استخوانی سلول‌ها از طریق آزمون‌های زیستی و با استفاده از ارزیابی‌های کمی و کیفی مورد سنجش قرار گرفت.

پولادزاده، پراکنده‌سازی یکنواخت نانوذرات باریوم تیتانات در بستر PDMS و همچنین توزیع مناسب نانوالیاف PVDF در این سامانه را از مهم‌ترین چالش‌های پروژه نام برد و افزود: استخراج سلول‌های انسانی از بافت‌های طبیعی، هماهنگی با مراکز درمانی، کشت سلولی طولانی‌مدت و کنترل آلودگی‌های احتمالی نیز از بخش‌های حساس و زمان‌بر این پژوهش بود.

وی درباره کاربردهای نتایج این طرح تحقیقاتی توضیح داد: دستاوردهای این پژوهش در حوزه مهندسی بافت استخوان، پزشکی بازساختی، سلول‌درمانی و توسعه بیومواد هوشمند قابل استفاده است. این فناوری می‌تواند در آینده برای تولید سلول‌های استخوانی مورد نیاز در درمان شکستگی‌های پیچیده، نقص‌های استخوانی و آسیب‌های ناشی از بیماری‌ها به کار گرفته شود.

پولادزاده خاطرنشان کرد: این دستاورد همچنین قابلیت استفاده در طراحی داربست‌های پیشرفته مهندسی بافت، ایمپلنت‌های زیست‌فعال و تولید محصولات دانش‌بنیان مرتبط با پزشکی بازساختی را دارد.

وی درباره انتشار نتایج این پژوهش گفت: بخشی از نتایج این طرح که به طراحی و ارزیابی بسترهای قالب‌گیری‌شده حاوی نانوذرات باریوم تیتانات اختصاص دارد، در قالب مقاله‌ای علمی در نشریه تخصصی Journal of Materials Chemistry B منتشر شده است.

این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر نوآوری اصلی این مقاله را استفاده همزمان از دو عامل فیزیکی مهم شامل توپوگرافی اختصاصی سلول‌های استخوانی و خواص پیزوالکتریک در یک سامانه واحد دانست و خاطرنشان کرد: نتایج نشان داد اثر هم‌افزایی این دو عامل می‌تواند بدون نیاز به عوامل شیمیایی، شرایطی نزدیک به محیط طبیعی استخوان ایجاد کرده و فرآیند استخوان‌سازی را تسریع کند. بخش دوم این پژوهش که بر پایه استفاده از نانوالیاف PVDF حاوی باریوم تیتانات انجام شده است، در حال آماده‌سازی برای انتشار در مجلات علمی است.

وی گام بعدی این پژوهش را انجام مطالعات درون‌تنی و آزمون‌های حیوانی ذکر کرد و گفت: در این مرحله می‌توان سلول‌های تمایزیافته را روی داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر قرار داد و در محل آسیب استخوانی کاشت یا به صورت مستقیم به محل آسیب تزریق کرد تا میزان بازسازی بافت در شرایط واقعی بدن مورد ارزیابی قرار گیرد. اجرای این مرحله می‌تواند مسیر ورود فناوری به کاربردهای درمانی و صنعتی را هموار کند.

پولادزاده با توضیح اینکه در این پژوهش از مواد هوشمند پیزوالکتریک در کنار فناوری قالب‌گیری سلولی استفاده شده تا محیطی نزدیک به شرایط واقعی بدن ایجاد شود، ادامه داد: برخلاف بسیاری از روش‌های متداول، این روش برای القای تمایز سلولی به عوامل شیمیایی وابسته نیست و از محرک‌های فیزیکی الهام‌گرفته از طبیعت بهره می‌گیرد.

وی مهمترین مزیت رقابتی این فناوری را هدایت سلول‌های بنیادی به سمت تشکیل استخوان بدون نیاز به عوامل شیمیایی عنوان کرد و یادآور شد: این ویژگی علاوه بر کاهش هزینه‌ها، می‌تواند ایمنی و پایداری فرآیند تولید سلول‌های درمانی را افزایش دهد. بسترهای طراحی‌شده قابلیت استفاده مجدد دارند و می‌توانند برای مدت طولانی در فرآیندهای کشت سلولی مورد استفاده قرار گیرند. این روش با کاهش نیاز به پاساژهای طولانی‌مدت سلولی، از تغییر فنوتیپ و افت کیفیت سلول‌ها جلوگیری می‌کند و در نتیجه سلول‌های تولیدشده برای کاربردهای درمانی مناسب‌تر خواهند بود.

به گفته این پژوهشگر، این دستاورد می‌تواند در توسعه روش‌های نوین سلول‌درمانی، تولید سلول‌های استخوانی برای ترمیم ضایعات استخوانی، ساخت بسترهای هوشمند مهندسی بافت، توسعه ایمپلنت‌های زیست‌فعال و پیشبرد فناوری‌های پزشکی بازساختی مورد استفاده قرار گیرد.