روش50- مهندسي بافت در دستگاه عصبي
دستگاه عصبي، چالشي را در حيطه مهندسي بافت ارايه مي‌كند زيرا بخشي از معماري و شيمي دستگاه عصبي به تازگي كشف شده است. آميخته اي از پيشرفت در زيست شناسي عصبي، فنون انتقال ژن و بيومواد در سطح ملكولي، مهندسي بافت سيستم عصبي را ايجاد كرده است. مهندسي بافت دستگاه عصبي يعني علم طراحي، ساخت و تشخيص سيستم‌هايي كه در آنجا سلول هاي عصبي به شيوه اي كنترل شده فعاليت هاي مناسب براي تشخيص، التيام و درمان سيستم عصبي را انجام مي دهند. سازماندهي سلولي شامل كنترل تعاملات و واكنش هاي بين سلولي ميان سلول ها و محيط اطراف آن‌ها است.
عملكرد و ترميم سلولهاي عصبي وابسته به برنامه ريزي ذاتي ژنتيكي و محيط خارج سلولي آن‌ها است. پيشرفت‌هاي اخير در زمينه زيست شناسي ملكولي و تكنيك‌هاي انتقال ژن، طراحي سلولهاي زيست فعال را ممكن مي سازد. بدين منظور از كپسوله كردن اين سلول‌ها در يك لايه نازك پليمري با ويژگي‌هاي فيزيكي شيميايي، وزني و تركيب شيميايي شناخته شده استفاده مي شود تا به كنترل واكنش‌هاي ميزبان و بافت پيوند شده كمك كند. كنترل محيط خارج سلولي مي تواند روشي براي كنترل و تحريك سلول ها يا بافت باشد. در حال حاضر، مهندسي بافت در دستگاه عصبي شامل موارد زير است:
1- جايگزين كاربردي براي يك مؤلفه فعال عصبي از بين رفته
2- بازسازي بافت عصبي تخريب شده
3- ساخت بيوسنسورهاي عصبي هوشمند مبتني بر سلول و مدارهاي عصبي ساده در شرايطin vitro
رهايش يك مؤلفه عصبي فعال از دست رفته در دستگاه عصبي 
تا كنون فقدان عوامل فعال عصبي خاص در چند نوع اختلال عصبي مشاهده شده است. اين عوامل ممكن است شامل انتقال دهنده هاي عصبي، عوامل تغذيه اي عصبي يا آنزيم ها باشند. به عنوان مثال، بخشي از مدار گانگليا كه نقش مهمي در كنترل حركت ايفا مي كند، شامل نرون هاي مخطط است كه دوپامين را از جسم سياه دريافت مي كند. فقدان دوپامين به دنبال تخريب سلول هاي عصبي مولد دوپامين در جسم سياه، مسئول بيماري پاركينسون است. نقش مهندسي بافت در اين شرايط به دو بخش تقسيم مي شود: 1) رهايش فاكتور از بين رفته (در اينجا دوپامين) به محل هدف بايد ارزيابي شود تا علايم بيماري پاركينسون مانند: لرزش غير ارادي، عدم تحرك و سفتي كاهش يابد 2) دومين وظيفه شامل ترميم، يا جايگزين كردن بافت تخريب شده است كه در اين حالت سلول هاي زاينده دوپامين از جسم سياه با روش هاي مهندسي تحريك مي شوند تا به سمت سلول هاي مخطط حركت كنند و به‌وسيله ورودي هاي مولد دوپامين عصب رساني به سلول هاي هدف مخطط انجام شود. تا كنون تلاش هاي زيادي صورت گرفته كه از طريق پيوند بافت جنيني عصبي به طور كنترل شده يا با غلاف هاي عصبي از جنس پليمر مصنوعي و ماتريس خارج سلولي به اين اهداف برسند. البته هر دو راهكار ذكر شده كاملا انحصاري نيستند و نياز به بررسي دارند. اولين رويكرد به سيستم هاي مهندسي منجر شد كه به واسطه آن عوامل فعال عصبي ممكن است در بخش هايي كه داراي كمبود اين عوامل هستند رها مي شوند. شايان ذكر است كه اين رويكرد، تلاش براي رهايش فاكتورهاي فعال عصبي به مناطق هدف، فقط جايگزين يك بخش از آناتومي سيستم عصبي و عوامل شيميايي آن در مغز مي شود. هدف آن بازسازي كامل حالت فيزيك سيناپسي اوليه قبل از بيماري نيست. چندين موضوع در طراحي يك سيستم رهايشي براي عوامل فعال عصبي وجود دارد. الف) عوامل فعال بايد به سلول هاي عصبي دسترسي داشته باشد؛ ب) تأثير اين عوامل بايد موضعي باشد؛ ج) مقدار عوامل فعال بايد در محيط ذخيره اش ثابت بماند و د) رهايش بايد مستمر و كنترل شده باشد.
تلاش‌هايي كه براي تامين اين نيازها صورت گرفته شامل استفاده از: الف) پمپ ها؛ ب) سيستم‌هاي پليمري با رهايش آهسته و ج) پيوند سلولي.
پمپ ها
پمپ ها براي رهايش مواد مسكن از طريق سخت شامه استفاده شده اند تا درد را در بيماران مبتلا به سرطان مزمن تسكين دهند. همچنين پمپ ها براي رهايش درون بطني عوامل تغذيه اي عصب نظيرNGF جهت پيوند سلول هاي كرومافين در درمان بيماري پاركينسون يا به عنوان يك پتانسيل درماني براي بيماري آلزايمر استفاده شده اند. همچنين يك نوع ميني پمپ اسمزيALZET براي رهايش محلول حاوي دوپامين يا گيرنده مهاري دوپامين به كار برده شده است. اما، بازه زماني كوتاه چهار هفته اي ممكن است آن‌ها را به لحاظ باليني غير كاربردي سازد و معمولا همراه با خطراتي نظير داشتن منبع عظيم دارو در شرايطin vivo است كه مي‌تواند خطر دمپينگ عامل فعال عصبي را به دنبال داشته باشد. همچنين، عفونت و محدوديت نفوذ نيز برخي از مشكلات همراه با اين تكنولوژي است. به‌علاوه بايد در نظر داشت كه عواملي نظير دوپامين به لحاظ شيميايي خيلي ناپايدار هستند و در محلول هاي بدون آنتي اكسيدان نيمه عمر كوتاه دارند و ممكن است توسط سيستم هاي مخزني رهايش صورت نگيرد. اين مشكل را مي توان از طريق برخي از روش‌هاي رهايش كه در ادامه توضيح داده مي‌شود مانند سيستم هاي پليمري با رهايش آهسته برطرف كرد.
سيستم‌هاي پليمري با ترشح آهسته
گزارش شده است كه اعمال ال دوپا(L-dopa) پيش ساز دوپامين، همراه با بازدارنده دكربوكسيلاز، يك روش مؤثر براي كاهش برخي از نشانه هاي حركتي بيماري پاركينسون است. اگرچه، مشاهده شده كه پس از چند سال اعمال دارو از طريق دهان، پاسخ باليني شروع به نوسان مي كند كه مي تواند مربوط به نوسانات سطح ال دوپا در پلاسما باشد. رهايش آهسته سيستم پليمري اتيلن وينيل استيلن كه با ال دوپا بارگذاري شده مي تواند پس از ترزيق به موش‌ها ثابت باقي بماند و سطح ال دوپا را در پلاسما براي حداقل 225 روز نگه دارد. سيستم هاي رهايش پليمري شامل به دام اندازي مولكول مورد نياز داخل يك ماتريس پليمري است رهايش آن به آهستگي صورت مي گيرد و ممكن است در رسيدن به برخي اهداف سيستم رهايش ايده آل به مغز موفق عمل كند. از محاسن اين روش اين است داروهايي با نيمه عمر كوتاه درin vivo مي تواند از تخريب محافظت شوند و از تاثيرات جانبي مضر اعمال مرتب دارو جلوگيري شود و با طراحي مناسب سيستم، سطح دوز مصرفي مي تواند در يك دامنه مطلوب نزديك به رهايش درجه صفر باقي بماند. از جمله معايب اين سيستم عبارتند از: مقدار بارگذاري محدود و دشواري رهايش يا تنظيم سطح دوز مصرفي بيماران . براي رهايش طولاني مدت، براي شكل قطعه پليمري محدوديت وجود دارد كه مي تواند احتمال كاشت درون مغزي را براي رهايش متمركزتر عامل فعال عصبي محدود كند. براي غلبه بر اين مشكل از ليپوزوم هاي حاوي دوپامين كاشته شده در مدل حيواني موش(rodent) براي درمان بيماري پاركينسون استفاده شده است . بهبود نسبي در مدل حيواني موش با اين شيوه درماني اتفاق افتاده است. در حالي كه ليپوزوم‌ها روشي اميدواركننده براي رهايش فاكتورهاي تغذيه رساني عصب هستند، اين تكنيك به دليل محدوديت هايي مثل دوره موثر زماني كوتاه هنوز كاربرد وسيع پيدا نكرده است. در حال حاضر تحقيقات گسترده‌اي براي ساخت غشاء‌هاي ليپوزومي هوشمندي كه به بافت‌هاي هدف ويژه مي‌چسبند در حال انجام است كه مي تواند روشي جالب براي رهايش فاكتورهاي فعال عصبي به مناطق خاص در مغز باشد.
پيوند سلولي
پيشرفت هاي اخير در زمينه زيست شناسي ملكولي و تكنيك هاي انتقال ژن منجر به دستيابي به منابع غني سلولي كه تركيبات فعال عصبي متنوع ترشح مي‌كنند. كه شامل سلول‌هايي هستند كه باعث آزادسازي انتقال دهنده‌هاي عصبي، عوامل تغذيه عصبي يا آنزيم مي‌شوند. بنابراين، ممكن است از نظر كاربردي پيوند سلول‌ها، روش مناسبي براي بازسازي ساختار اوليه ميزبان باشد. استفاده از يك منبع سلولي براي عوامل مختلف شيميايي عصب، يك مزيت مهم است زيرا سلول‌ها به‌وسيله تقسيم سلولي تكثير مي‌شوند؛ از تركيبات مغذي مانند اكسيژن و گلوكز و غيره استفاده كنند؛ و طي يك دوره زماني طولاني عوامل مورد نياز را توليد و آزاد مي سازند. اين راهكار بر كمبودهاي روش پيشين غلبه مي كند زيرا هيچ نوع منبع ذخيره عوامل شيميايي عصبي در مقدار زياد وجود ندارد و ذخيره تا زماني كه سلولهاي پيوند يافته زنده هستند ادامه مي يابد و فنوتيپ و بيان ژني آن‌ها براي درمان ژني حفظ مي‌شود. برخي از بافت‌هايي كه تاكنون به‌طور تجربي پيوند داده شده است را مي توان به صورت زير طبقه بندي كرد:
پيوند سلولهاي اوليه اتولوگ
اين روش شامل تهيه سلول هاي اوليه از ميزبان است. به عنوان مثال، سلولهاي اتولوگ شوان كه جداسازي و در مغز پيوند زده شده، افزايش بازسازي عصب شبكيه را نشان داده است. كه فرض مي شود اين امر به واسطه ترشح عواملي صورت مي گيرد كه بر بازسازي تأثيرگذار هستند. سلول هاي اتولوگ شوآن به‌عنوان پل‌هاي عصبي مي‌توانند به بازسازي عصب سياتيك موش پس از قطع آكسون كمك كنند. فيبروبلاست هاي پوستي اوليه به لحاظ ژنتيكي طوري تنظيم شده اند تا ال دو پا، مولكول پيش ساز دوپامين، را ترشح كنند پس از آن به‌صورت برون مغزي در داخل جسم مخطط اتولوگ ميزبان پيوند شوند و نتايج نشان داده كه بازيابي رفتاري در مدل موش براي بيماري پاركينسون امكان‌پذير است. گروه مشابه اي نيز گزارش كرده‌اند كه فاكتور رشد عصب، تيروسين هيدروكسيلاز، گلوتاميك اسيد دكربوكسيلاز و كولين استيل ترانسفراز مي توانند به‌طور موفق آميز به فيبروبلاست‌هاي اوليه اعمال شوند. البته، هميشه امكان تهيه بافت اتولوگ وجود ندارد. منابع ديگري از بافت‌ها شامل بافت جنيني كشف شده كه معمولا همراه با مهار سيستم ايمني هستند.
پيوند بافت جنيني
بافت عصبي جنيني براي جايگزيني بافت عصبي تخريب شده از منابع آلوژنيك تهيه مي‌شوند. پيوند آلوگرافت‌هاي بافت عصبي جنيني مي تواند در درمان برخي بيماري‌هاي تخريب كننده دستگاه عصبي، مانند بيماري پاركينسون مفيد باشد. البته، مهار سيستم ايمني براي جلوگيري از عدم پذيرش اين بافت ها كافي نيست.
پليمرها، عوامل رشد و ترميم بافت
تقويت و تحريك بازسازي عصبي يك وظيفه مهم براي بازسازي بافت در دستگاه عصبي است. كانال هاي هدايت كننده مصنوعي عصب(NGCs) براي مطالعه مكانيسم‌هاي بنيادي ترميم عصبي محيطي پستانداران پس از آسيب عصب و افزايش بازسازي عصب استفاده شده اند. كانال‌هاي هدايت‌كننده ممكن است ترميم انتها تا انتهاي عصب را ساده سازد و در ترميم شكاف‌هاي طويل عصبي مفيد باشد. كانال هدايت كننده، فشار را در خط بخيه كاهش مي‌دهد و از تجمع بافت اِسكار در عصبي كه در حال ترميم است جلوگيري مي‌كند و آكسون‌هاي در حال رشد را به سمت اهداف انتهايي شان هدايت مي كند. ويژگي‌هاي كانال هدايت‌كننده را مي توان براي بهينه سازي فرايند ترميم اصلاح كرد. همچنين، كانال هاي هدايت كننده عصب مي تواند براي ايجاد يك محيط كنترل شده در محل بازسازي روند. ويژگي هاي كانال، ماتريس پر كننده NGC، سلول‌هايي كه در داخل حفره كانال قرار مي گيرند و تحريك پليمرها براي جوش خوردن آكسون مي توانند راهكارهايي باشند كه براي بهينه سازي و افزايش ترميم عصب و تأثير بر بازسازي بافت عصبي به‌كار برده شوند.
ويژگي هاي استفاده از كانال ها
در زمان گذشته، زيست سازگاري يك ماده زيستي از طريق درجه كنش پذيري يا عدم واكنش آن هنگامي كه در بدن كاشته مي شدند، ارزيابي مي‌شد، اما نتايج نشان داده است كه پاسخ بافت ميزبان به ويژگي‌هاي مكانيكي، شيميايي و ساختاري ماده زيستي كاشته شده مربوط است كه همين امر به طراحي موادي كه مي توانند پاسخ فعال و مفيدي را براي دستكاري ويژگي‌هاي ريزساختاري، نفوذپذيري، خواص الكتريكي و بارگذاري ديواره كانال با تركيبات فعال عصبي كه بعدا به‌طور موضعي در داخل محيط ترميم رها شوند و غيره منجر شده است.
مورفولوژي
مورفولوژي عصب هاي محيطي ترميم كننده توسط ميكرو كامپيوترهاي سطحي كانال‌هاي هدايت‌كننده پليمري تنظيم مي‌شود كانال‌هاي داراي ديواره داخلي صاف، موجب تشكيل ماتريس‌هاي منظم و طولي رشته اي مي شوند كه اين امر منجر به شكل گيري طناب‌هاي عصبي مجزايي با تعداد زيادي آكسون‌هاي داراي غلاف ميلين مي‌شوند. ولي، سطح داخلي ناهموار كانال‌ها موجب شكل گيري يك ماتريس نامنظم رشته اي با تعداد بسيار كمي آكسون‌هاي ترميمي مي شود. بنابراين، ويژگي‌هاي فيزيكي و تخلخل كانال مي تواند بر رفتار بافت تأثير بگذارد.
ويژگي‌هاي الكتريكي
گزارش شده است كه بازسازي در آزمايشin vivo به‌دنبال برش مقطعي در اعصاب محيطي، به‌وسيله جريان هاي گالوانوتروپي توليد شده در كانال هاي سيليكوني مجهز به گيره‌هاي الكترود افزايش مي يابد. تيوب هاي پلي تترافلوئورواتيلن(PTFE)كه داراي بار الكتريكي ساكن هستند در مقايسه با تيوب هاي بدون بار، آكسون‌هاي ميلين دار بيشتري از خود نشان مي دهند. كانال‌هاي پليمري پيزوالكتريك كه به لحاظ ديناميكي فعال هستند نيز موجب افزايش ترميم در عصب سياتيك موش بالغ شده اند.
رهايش عوامل زيست فعال از ديواره كانال
كانال هدايت كننده پليمري را مي توان براي مطالعه و افزايش بازسازي عصب با عوامل مختلفي بار گذاري كرد. رهايش فاكتور رشد فيبروبلاست از كانال هدايت كننده كوپليمر اتيلن وينيل استات ترميم عصب محيطي را پس از جراحت عصب سياتيك موش در امتداد شكاف‌هاي عصبي تسهيل كرد. آزاد سازي عوامل مناسب تغذيه عصبي به‌ويژه مي تواند زير مجموعه هاي آكسون‌ها، يعني سلولهاي عصبي حركتي يا حسي را افزايش دهد.
ترميم دستگاه عصبي مركزي (CNS)
بيشتر مطالعات فوق در دستگاه عصبي محيطي ()PNS صورت گرفته است. لوله‌هاي از جنس كوپليمر آكريليك نيمه تراوا موجب اتصال عصب بينايي خرگوش كه به صورت عرضي قطع شده است. بازسازي عصب كولينرژيك در ديواره لوله هاي حاوي سلولهاي شوآن، نشانگر تأثير سلولهاي شوآن در ترغيب ترميم آكسوني دستگاه عصبي مركزي(CNS) هستند. در يك پژوهش ديگر، كانال‌هاي هدايت كننده عصبي پليمري كه حاوي سلولهاي بالغ شوان معلق درECM هستند، پس از آسيب در تيغه هيپوكامپ موش‌هاي فيشر كاشته شدند. در نتيجه، آكسون‌هاي حاوي استيل كولين استرآز پس از دو هفته وارد مجراي كانال شدند. مطالعه ميكروسكوپي انتقال الكتروني، واكنش سلول شوآن را با آكسون‌هاي ميزبان نشان مي‌دهد. بنابراين، كانال‌هاي هدايت‌كننده پليمري، ماتريس‌هاي مناسب و فاكتورهاي رشد، با يكديگر مي توانند محيطي مناسب براي تحريك ترميم دستگاه عصبي مركزي ايجاد كنند.
مدارهاي عصبي و بيوسنسورها
ويژگي‌هاي الكتروشيميايي و شيميايي الكتريكي سلولهاي عصبي مي‌تواند پايه ساخت يك بيوسنسور باشد. همچنين، اطلاعات منحصر به فردي كه قابليت‌هاي سلولهاي عصبي را از طريق تنظيم سيناپسي پردازش مي كند، مي تواند اساس طراحي مدارهاي عصبي ساده در شرايطin vitro باشد. براي هر دو كاربرد فوق الذكر، كنترل چسبندگي سلول عصبي كه محكم به زمينه چسبيده و همچنين حساسيت زمينه به برداشتن يا نظارت بر فعاليت الكتريكي سلول با يك ميكرو الكترود حساس در جاي خود قرار داد.
استفاده از مواد زيست فعال، كه براي كنترل چسبندگي سلول بر روي سطح مناسب هستند و نيز تمايل به توليد عناصر حساس الكتريكي دارند، مانند ترانزيستور اثر ميدان( FET) ، يك روش براي تحقق بخشيدن به اين سيستم است. اوليگو پپتيدهاي مشتق شده از پروتئين‌هاي بزرگتر خارج سلولي، نظير لامينين، از طريق گيرنده هاي سطح سلول، واسطه اتصال سلولهاي ويژه مي‌شوند.
كشت سلولي بر روي غشاهاي پليمري اصلاح شده با عناصر پپتيدي زيست فعال بالا مي تواند به سيستمي منتهي شود كه در آن بتوان اتصال و رشد سلول عصبي را كنترل كند. موارد ثبت شده اوليه حاصل از اتصال عصب وسيليسيم مبتني برFET با استفاده از سلولهاي رتزيوس زالو گزارش شده است. با وجود مشكلات زياد، اين روش مي تواند اساس ساخت "تراشه عصبي" باشد. يك تراشه عصبي مي تواند به طور بالقوه سلولهاي عصبي را به دانش الكترونيك بيروني جهت كاربرد در حسگرهاي زيستي مبتني بر پايه سلول عصبي، مدارهاي عصبي و اندام هاي مصنوعي ارتباط دهد. براي نيل به اين هدف، اصلاح سطحي پليمر و كاربرد هوشمندانه اجزاي ماتريس خارج سلولي بايد از طريق اتصال انتخابي انجام شود.
پيشرفت در روش‌هاي انتقال ژن و زيست شناسي سلولي و ملكولي ابزار توانمندي را در جايگزيني كاربردي بافت‌هاي مختلف دستگاه عصبي ارائه مي كند. هر يك از اين موارد را مي توان با طراحي و انتخاب محيط مناسب سلولي، بهينه ساخت. مواد بنيادي كه تمايز عصبي را در دو يا سه بعد حمايت مي كنند، مي توانند نقش مهمي را در استفاده از پيشرفت‌هاي زيست‌شناسي سلولي و ملكولي ايفا كنند. بنابراين، هدف اين پژوهش ارتباط ماتريس‌هاي خارج‌سلولي با نشانه‌هاي مناسب فيزيكي، شيميايي و زيستي است كه مي تواند در بهينه ساختن نقش سلولهاي پيوند‌يافته، القاي ترميم عصب، يا در ساخت بافت‌هاي عصبي در دو و سه بعد آن‌هم به شيوه اي كنترل شده، حائز اهميت باشد. طراحي و ساخت كنترل شده هيدروژل‌هاي پليمري و داربست‌هاي پليمري در مقياسي كه مناسب سلولهاي منفرد باشد نيز مهم است.
مولكول‌هاي زيستي نظير لامينين، كولاژن، فيبرونكتين و تناسين مي توانند مسيرهايي جذاب و مجاز براي رشد آكسون‌ها فراهم آورند. از طرف ديگر، نشان داده شده است كه برخي از پروتئوگلايكان‌هاي سولفاته شده، مانع يا دافع اعصاب هستند . كاربرد اين ملكول‌ها به همراه درك واضح‌تر واكنش بين ماتريس و سلول به واسطه پروتئين، مي تواند مسير را براي مهندسي بافت عصبي، ملكول به ملكول، در سه بعد هموار سازد. بنابراين، امكان اتصال ماده ژنتيكي يك سلول و كنترل بيان ژنتيكي براي تنظيم محيط خارج سلولي آن، موجب مي‌شود كه مهندسي بافت دستگاه عصبي به يك تلاش رقابت انگيز مبدل شود
منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۹۲