ترمیم عصب با داربست زیستی چاپ سه‌بعدی‌شده، عملکردی نزدیک به پیوند طبیعی عصب دارد
بر اساس مطالعه‌ای داوری‌شده که در مجله International Journal of Extreme Manufacturing منتشر شده است، یک مجرای مصنوعی سه‌لایه حاوی سلول‌های زنده شوان توانسته است ارتباطات عصبی عصب سیاتیک را در موش‌های صحرایی بازسازی کند و عملکردی قابل‌مقایسه با پیوند طبیعی عصب داشته باشد. این وسیله از یک لایه بیرونی مقاوم، یک غشای میانی متخلخل و مجموعه‌ای از ریزرشته‌های داخلی حاوی سلول تشکیل شده است که در امتداد یکدیگر قرار گرفته‌اند تا رشد مجدد آکسون‌ها را در شکافی به طول ۱۰ میلی‌متر هدایت کنند. طی ۱۶ هفته، مجرا انتقال پیام‌های الکتریکی را امکان‌پذیر کرد، از تشکیل دسته‌های عصبی دارای غلاف میلین پشتیبانی کرد و کاهش حجم عضلات را محدود ساخت. این نتایج نشان می‌دهند که چنین ساختار زنده‌ای می‌تواند به‌عنوان پلی مهندسی‌شده از بافت، برای ترمیم اعصاب محیطی به کار رود.
اعصاب محیطی به‌طور معمول پیام‌ها را میان مغز و اندام‌ها منتقل می‌کنند، اما آسیب شدید می‌تواند این مسیرهای ارتباطی را کاملاً قطع کند. اگر رشته‌های عصبی در حال بازسازی راهنمای ساختاری مناسبی نداشته باشند، ممکن است مسیر خود را گم کنند و در نتیجه، عضلات پایین‌دست از تحریک الکتریکی محروم شوند و در معرض تحلیل‌رفتگی دائمی قرار گیرند. جراحان معمولاً برای پر کردن بخش آسیب‌دیده عصب از پیوند خودی استفاده می‌کنند؛ روشی که در آن، یک عصب حسی سالم از بخش دیگری از بدن همان بیمار برداشته می‌شود.
اگرچه این روش در پزشکی بالینی جا افتاده است، مستلزم فدا کردن عصب دیگری است و ممکن است بی‌حسی در محل برداشت، درد مزمن یا کاهش بافت قابل‌استفاده برای پیوند را به دنبال داشته باشد. مجراهای پلاستیکی توخالی این هزینه جراحی را برطرف می‌کنند، اما طبق توضیحات منتشرشده درباره پژوهش، عبور از شکاف‌های طولانی‌تر با دشواری همراه است؛ زیرا این لوله‌ها ممکن است نتوانند نشانه‌های فیزیکی و پشتیبانی زیست‌شیمیایی لازم برای رشد آکسون‌ها را فراهم کنند. گروه پژوهشی برای رفع این مشکل، سه روش ساخت را روی یک سکوی نوشتار مستقیم با یکدیگر ترکیب کرد: نوشتار مذاب برای ساخت لایه بیرونی، الکتروریسی برای ایجاد غشای متخلخل میانی و الگودهی سلولی در دمای پایین برای تولید مسیرهای زنده داخلی.
مجرای موردنظر به‌صورت پیوسته ساخته شد و برای انتقال اجزای ظریف میان دستگاه‌های جداگانه نیازی به جابه‌جایی آن‌ها نبود. لایه بیرونی از یک شبکه باز پلی‌کاپرولاکتون تشکیل شده است که نقش اسکلت خارجی را ایفا می‌کند و در برابر فشار و نیروهای ناشی از بخیه‌زدن تا ۱٫۶۴ نیوتن مقاومت نشان می‌دهد. لایه میانی، غشایی از نانوالیاف با منافذی به قطر متوسط ۰٫۵۵ میکرومتر است. این منافذ عبور اکسیژن و مواد مغذی را ممکن می‌کنند و در عین حال مانع ورود بافت همبند اسکارساز به داخل مجرا می‌شوند.
لایه داخلی از ریزرشته‌های حاوی سلول‌های شوان تشکیل شده و مسیری زیستی برای رشد مجدد اعصاب ایجاد می‌کند. بخش اصلی چالش پژوهش، زیست‌چاپ سلول‌های زنده شوان بود؛ سلول‌های پشتیبانی‌کننده‌ای که در شرایط طبیعی به عایق‌سازی و هدایت رشته‌های عصبی محیطی کمک می‌کنند. در زیست‌چاپ با کمک میدان الکتریکی، جوهر حاوی سلول از نازل‌های باریک عبور داده می‌شود و به ریزالیاف تبدیل می‌شود، اما چاپ با وضوح بالا یک مصالحه دشوار ایجاد می‌کند.
جوهرهای غلیظ معمولاً شکل خود را پس از چاپ حفظ می‌کنند، اما عبور دادن آن‌ها از نازل‌های باریک تنش برشی شدیدی ایجاد می‌کند که ممکن است غشای سلول‌ها را پاره کند. رقیق کردن جوهر این تنش را کاهش می‌دهد، ولی رشته‌های حاصل ممکن است پس از خروج از نازل روی سطح پهن شوند و شکل خود را از دست بدهند. مواد شیمیایی سخت‌کننده نیز ممکن است برای سلول‌ها سمی باشند و ولتاژهای نسبتاً بالایی که برای تولید الیاف ظریف به کار می‌روند، می‌توانند به مواد زنده آسیب بزنند.
پژوهشگران برای حل این تعارض از دما کمک گرفتند. جوهر زیستی آن‌ها از آلژینات، پلی‌اتیلن اکسید و ژلاتین متاکریلوئیل حساس به دما، به همراه سلول‌های زنده شوان تشکیل شده بود. دمای نازل روی ۲۵ درجه سانتی‌گراد تنظیم شد تا مخلوط به‌اندازه کافی روان باشد و بتواند بدون ایجاد تنش برشی ناشی از فرمولاسیون غلیظ‌تر از نازل عبور کند.
صفحه جمع‌آوری سرد با دمای ۴ درجه سانتی‌گراد، هر رشته خارج‌شده را به‌سرعت پایدار می‌کرد و مانع پخش شدن آن می‌شد. این سامانه با استفاده از میدان الکتریکی نسبتاً ملایم ۱٫۰ کیلوولت، ریزرشته‌هایی پیوسته با قطر حدود ۳۶ میکرومتر تولید کرد. بنابراین، دما هم جریان ماده را هنگام چاپ کنترل می‌کرد و هم بلافاصله پس از رسوب‌گذاری، به حفظ پایداری ساختار کمک می‌کرد.
در کشت‌های آزمایشگاهی، سلول‌های عصبی به مسیرهای چاپ‌شده متصل شدند و به‌جای پراکنده شدن در جهات مختلف، نوارهایی متراکم و هم‌راستا تشکیل دادند. نتایج توالی‌یابی آر‌ان‌ای توضیحی مولکولی برای این رفتار پیشنهاد کرد. تماس با ریزرشته‌ها، همراه با پیام‌های شیمیایی تولیدشده به‌وسیله سلول‌های شوان، ژن‌های دخیل در هدایت آکسون‌ها، از جمله Ephb1 و Gnai1، را فعال کرد.
این پیام‌ها با برنامه‌های سلولی مرتبط با اسکلت سلولی ارتباط داشتند؛ برنامه‌هایی که جهت رشد آکسون‌های در حال طویل‌شدن را هدایت می‌کنند. هم‌زمان، میزان بیان ژن‌های مرتبط با مرگ برنامه‌ریزی‌شده سلولی و تکثیر معمول سلول‌ها کاهش یافت و فعالیت سلول‌ها بیشتر به سمت گسترش ساختارهای پیام‌رسان کشیده‌شده تغییر کرد. این مشاهدات به کشت‌های آزمایشگاهی و الگوهای بیان ژن مربوط‌اند و گزارش پژوهش، ارزیابی بالینی مستقلی از سازوکارهای مولکولی زیربنایی ارائه نمی‌کند.
پژوهشگران مجراهای ترکیبی را در شکاف‌هایی به طول ۱۰ میلی‌متر در عصب سیاتیک موش‌های صحرایی کاشتند و طی ۱۶ هفته آن‌ها را با پیوند طبیعی عصب و مجراهای فاقد سلول زنده مقایسه کردند. دسته‌های عصبی در حال بازسازی در مجراهای زنده، پوشش میلینی با ضخامت متوسط ۱٫۰۲ میکرومتر پیدا کردند؛ مقداری که به میانگین ۱٫۱۵ میکرومتر اندازه‌گیری‌شده در پیوندهای طبیعی نزدیک بود. سرعت هدایت پیام‌های عصبی در اعصاب ترمیم‌شده با مجرای زنده به ۵٫۶۷ متر بر ثانیه رسید، درحالی‌که این مقدار در گروه دریافت‌کننده پیوند طبیعی ۵٫۸۸ متر بر ثانیه بود.
سرعت هدایت در مجراهای زنده تقریباً دو برابر مقدار اندازه‌گیری‌شده در مجراهای بدون سلول بود. این یافته‌ها نشان می‌دهند که در مدل موشی مورد بررسی، عملکرد دو روش ترمیم از نظر شاخص‌های عملکردی قابل‌مقایسه بوده است؛ اما اثبات‌کننده هم‌ارزی آن‌ها در انسان نیست. آزمایش همچنین نشان می‌دهد که مسیرهای الگودهی‌شده حاوی سلول زنده، نتیجه متفاوتی نسبت به مجراهای خالی ایجاد کردند، هرچند گزارش، مقدار عددی سرعت هدایت در گروه بدون سلول را ارائه نمی‌کند.
بهبود عملکرد تنها به سرعت هدایت پیام‌های عصبی محدود نبود. قطع ارتباطات عصبی معمولاً عضلات بخش پایینی ساق پا را در معرض تحلیل‌رفتگی ناشی از قطع عصب‌رسانی قرار می‌دهد. مجراهای زنده توانستند حدود ۴۹ درصد از وزن تر عضلات بخش انتهایی ساق پا را حفظ کنند، درحالی‌که این میزان در مجراهای خالی کمتر از ۲۴ درصد بود.
آزمایش‌های راه‌رفتن نیز نشان دادند که هماهنگی طبیعی پنجه‌های پای عقب در حیواناتی که مجراهای زنده دریافت کرده بودند، بازگشت. در مجموع، نتایج الکتروفیزیولوژیک و رفتاری نشان می‌دهند که این پل مهندسی‌شده فراتر از فراهم کردن یک مسیر غیرفعال عمل کرده است: مسیرهای هم‌راستای حاوی سلول‌های شوان به رشد سازمان‌یافته اعصاب کمک کردند؛ رشدی که برای کاهش تحلیل عضلانی و بازیابی حرکت هماهنگ در طول دوره مطالعه کافی بود. بنابراین، یافته‌های گزارش‌شده فقط به اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی محدود نمی‌شوند و شواهد تشریحی مربوط به تشکیل دسته‌های عصبی دارای میلین و شاخص‌های عملکردی حفظ عضلات و حرکت را نیز در بر می‌گیرند.
این مطالعه اثبات مفهوم ساخت برای ایمپلنت‌های چندلایه حاوی سلول زنده را ارائه می‌دهد، اما شواهد موجود همچنان پیش‌بالینی هستند. پیش از آغاز آزمایش روی انسان، پژوهشگران باید مجراها را در مدل‌های حیوانی بزرگ‌تر و در شکاف‌هایی به طول چند سانتی‌متر آزمایش کنند. همچنین لازم است روش‌های استریل‌سازی در دمای پایین طراحی شود که سلول‌های شوان تعبیه‌شده را از بین نبرد. علاوه بر این، سرعت تجزیه پوسته پلی‌کاپرولاکتون باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که با روند کندتر ترمیم عصب در انسان متناسب باشد.
نتایج گزارش‌شده از ادامه اعتبارسنجی در حیوانات بزرگ‌تر پشتیبانی می‌کنند، نه از توصیه فوری این روش برای کاربرد بالینی. اگر مرحله بعدی پژوهش موفقیت‌آمیز باشد، این رویکرد می‌تواند جایگزینی برای بیمارانی فراهم کند که امکان اهدای یک عصب سالم دیگر را ندارند یا بافت کافی برای پیوند خودی متداول در بدنشان موجود نیست. اهمیت این دستاورد برای بیماران در آن است که چند کارکرد را در یک وسیله ترکیب می‌کند: پشتیبانی مکانیکی، تبادل انتخابی مواد با محیط اطراف و بستری زنده و هم‌راستا برای هدایت رشته‌های عصبی.
این مجرا صرفاً یک لوله توخالی نیست؛ مسیرهای داخلی آن با سلول‌هایی پر شده‌اند که می‌توانند نشانه‌های زیست‌شیمیایی فراهم کنند، درحالی‌که معماری چاپ‌شده، جهت رشد را تعیین می‌کند. در همین حال، لایه بیرونی پلی‌کاپرولاکتون به‌گونه‌ای طراحی شده است که هنگام جابه‌جایی و کار با مجرا مقاومت کند و غشای میانی نیز رشد بافت همبند به داخل ساختار را محدود سازد. حاصل کار نمونه‌ای فشرده از ترکیب نوشتار مذاب، الکتروریسی و زیست‌چاپ در دمای پایین است؛ ترکیبی که بدون نیاز به انتقال ساختارهای ظریف میان دستگاه‌های جداگانه انجام می‌شود.
ادعای اصلی این مطالعه به نتایج پیش‌بالینی در موش‌های صحرایی محدود است: در شرایط گزارش‌شده، مجرای زیستی چاپ‌شده حاوی سلول زنده توانست بازسازی عصب را در شکافی به طول ۱۰ میلی‌متر پشتیبانی کند و به نتایج عملکردی نزدیک به پیوند طبیعی عصب دست یابد. کاربرد گسترده‌تر این روش به اعتبارسنجی در شکاف‌های طولانی‌تر، توسعه روش‌های استریل‌سازی سازگار با سلول‌های زنده، تنظیم سرعت تجزیه پوسته متناسب با زمان ترمیم و در نهایت آزمایش روی انسان بستگی دارد.
موضوع پژوهش: مجراهای عصبی زیست‌چاپ‌شده برای بازسازی پیش‌بالینی اعصاب محیطی در موش‌های صحرایی
عنوان مقاله: چاپ سه‌بعدی «مسیرهای ریلی» زنده درون مجراهای مصنوعی، نتایجی هم‌سطح روش معیار طلایی ترمیم عصب ارائه می‌دهد
منبع مقاله: «چاپ سه‌بعدی مسیرهای ریلی زنده درون مجراهای مصنوعی، نتایجی هم‌سطح روش معیار طلایی ترمیم عصب ارائه می‌دهد». انتشار اولیه (اطلاعات کتاب‌شناختی در دسترس نیست.)
اعتبار تصویر: تولیدشده با هوش مصنوعی
شناسه DOI: ارائه نشده است.
کلیدواژه‌ها: ترمیم اعصاب محیطی، زیست‌چاپ سه‌بعدی، سلول‌های شوان، هدایت رشد عصب، مهندسی بافت، عصب سیاتیک، مطالعه روی موش صحرایی، ریزرشته‌های هم‌راستا، زیست‌ساخت، الکتروریسی، ساختار زنده، مسیرهای ریلی