غضروف مهندسی‌شده برای درمان شکستگی استخوان

پژوهشگران سیستم هیدروژل ترکیبی جدیدی طراحی کرده‌اند که می‌تواند در حل برخی مشکلات ترمیم استخوان مفید باشد.

تیمی از پژوهشگران مرکز سلامتی Uconn Health سیستم هیدروژلی هیبریدی جدیدی طراحی کردند که بتواند برخی از مشکلات ترمیم استخوان آسیب‌دیده را حل کند. این تیم علمی به رهبری جراح ارتوپد سیام نوکاواراپو، یافته‌های خود را درJournal of Biomedical Materials Research-Part B تشریح کرده است.

بیش از ۲۰۰ استخوان در ساختار اسکلتی یک انسان بالغ وجود دارد که اندازه‌ی آن‌ها از ۲ میلی‌متر تا بیش از ۳۰ سانتی‌متر است. چگونگی شکل‌گیری استخوان‌ها و نحوه‌ی ترمیم آن‌ها پس از آسیب‌دیدگی، از موضوعات مورد توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه‌ی درمان‌های ترمیمی است.

تشکیل غضروف از طریق ماتریکس خارج سلولی مهندسی‌شده

دو فرایند برای توسعه‌ی اسکلت انسان وجود دارند که به تشکیل و رشد تمام استخوان‌های بدن ما کمک می‌کنند. نام این فرآیندها، استخوا‌ن‌سازی درون غشایی (Intramembranous ossification) و استخوان‌سازی درون غضروفی(Endochondral ossification) است و به‌ ترتیب با علامت‌های اختصاری IO و EO نشان داده می‌شوند. استخوان‌سازی درون غشایی، فرایند مسئول تشکیل استخوان‌های پهن است و استخوان‌سازی درون غضروفی، فرایندی است که طی آن استخوان‌های بلند مانند استخوان ران و بازو ساخته می‌شوند. برای انجام هر دو فرآیند و برای آغاز رشد استخوان جدید، به سلول‌های بنیادی مزانشیمی عمومی (Mesenchymal stem cells:MSCs) نیاز است.

با وجود این شباهت در دو فرآیند استخوان‌سازی، تولید IO در آزمایشگاه ساده‌تر است؛ زیرا سلول‌های بنیادی مزانشیمی می‌توانند بدون گذراندن هیچ مرحله‌ی دیگری مستقیما تمایز پیدا کنند و تبدیل به سلول‌های تشکیل‌دهنده‌ی استخوانشوند. با این حال، این سادگی نسبی با محدویت‌هایی همراه است. تیم مطالعاتی مرکز Uconn Health برای جلوگیری از مشکلات مرتبط با IO، در صدد طراحی یک ماتریکس برون‌یاخته‌ای یا خارج سلولی مهندسی‌شده برآمد که با استفاده از هیدروژل‌ها، تشکیل استخوان‌ها طی EO را هدایت و حمایت کند. ناکاواراپو می‌گوید:

تاکنون مطالعات بسیار معدودی روی طراحی ماتریکس‌هایی برای استخوان‌سازی درون غضروفی به‌منظور ساخت مجدد و ترمیم استخوان انجام شده است. ما توانستیم با ایجاد یک ترکیب هیدروژلی هیبرید، ماتریکس خارج سلولی مهندسی‌شده تولید کنیم که بتواند از تشکیل قالب غضروف حمایت کند.

ناکاواراپو اشاره می‌کند که در فرآیند ترمیم و بازسازی استخوان، ایجاد عروق خونی عامل کلیدی است. مشکل اصلی، استخوان تشکیل‌شده طی IO توسط فقدان عروق خونی است؛ یعنی فرآیند IO قادر به بازتولید بافت استخوانی کافی نیست تا بتواند برای ترمیم نقایص استخوانی بزرگ حاصل از آسیب یا بیماری‌هایی چون پوکی استخوان به‌ کار برده شود. اگرچه پژوهشگران زیادی سعی کرده‌اند در این مورد استراتژی‌های مختلفی به‌ کار گیرند؛ ولی هنوز تشکیل رگ‌های خونیدر فرآیند IO یک مشکل جدی است.

از سوی دیگر تشکیل رگ‌های خونی، به‌علت توسعه‌ی یک الگوی غضروفی، تکثیر کندروسیت‌ها (سلول‌های غضروف) و تشکیل نهایی بافت استخوان، پیامد طبیعی EO در نظر گرفته می‌شود.

درحالی‌که سادگی IO محدودیت‌هایی هم دارد، مزایای EO هم همراه با عمل متعادل‌سازی پیچیده‌ای است. EO نیاز به هماهنگی دقیق فضایی و زمانی عناصر مختلفی مانند سلول‌ها، فاکتورهای رشد و یک ماتریکس خارج سلولی یا داربستی دارد؛ پدیده‌ای که سلول‌های بنیادی مزانشیمی روی آن متصل شوند و تکثیر و تمایز یابند. ناکاواراپو و همکارانش برای رسیدن به این تعادل ظریف در شرایط آزمایشگاه، دو ماده‌ی شناخته‌شده برای تحریک بازسازی بافت یعنی فیبرین و هیالورونان را برای ایجاد یک ماتریکس خارج سلولی مؤثر برای تشکیل استخوان‌های بلند، ترکیب کردند. ژل فیبرین مشابه سلول‌های بنیادی مزانشیمی استخوان انسان و در افزایش تراکم آن‌ها مؤثر است؛ عاملی که برای تمایز سلول‌های بنیادی مزانشیمی به سلول‌های غضروفی ضرورت دارد. هیالورونان که به‌طور طبیعی یک پلیمر زیستی است، مراحل بعدی فرآیند را که در آن سلول‌های غضروفی تمایز، رشد و تکثیر می‌یابند، تقلید می‌کند.

ناکاواراپو می‌گوید استفاده از ماتریکس‌های شبه‌غضروف می‌تواند منجر به توسعه‌ی استراتژی‌های ترمیم جدید استخوان شود که در آن فاکتورهای رشد مضر دخالت نداشته باشند.

این پژوهش‌ هنوز در مراحل اولیه خود است؛ ولی این پیشرفت‌ها پیام آور نوآوری‌های آینده هستند. فعالیت‌های آزمایشگاه‌های UConn در زمینه‌ی نوآوری‌های مؤثر برای پیشرفت‌های علمی در زمینه‌های مراقبت‌های بهداشتی، مهندسی، علوم مواد و بسیاری از زمینه‌های دیگر معروف شده است. برنامه‌ی بعدی پژوهشگران، تلفیق ماتریکس خارج سلولی هیبریدی با داربستی است که قادر به تحمل بار باشد و در نهایت غضروف‌هایی ایجاد شود که مناسب ترمیم استخوان‌های بلند باشند.