پروتئین‌های دریایی چه تاثیری در مهندسی بافت نرم دارد؟

به گزارش خبرنگار «نبض فناوری» توانایی‌های ذاتی خود ترمیم بدن اغلب زمانی که نوبت به آسیب‌های بافت‌های نرم مانند پوست، اعصاب و غضروف می‌شود، کم است. مهندسی بافت و پزشکی بازساختی تلاش‌های تحقیقاتی خود را بر روی ایجاد مواد زیستی طبیعی برای غلبه بر این محدودیت شفابخش ذاتی متمرکز کرده‌اند. این بررسی جامع به پیشرفت چنین بیوموادهایی با استفاده از مواد و اجزای منشأ گرفته از منابع دریایی می‌پردازد. این مواد مشتق شده از دریا یک جایگزین پایدار برای منابع سنتی مشتق شده از پستانداران ارائه می‌دهند و از ویژگی‌های زیستی مفید آن‌ها از جمله پایداری، مقیاس پذیری، کاهش خطرات بیماری مشترک بین انسان و دام و محدودیت‌های اخلاقی کمتر استفاده می‌کنند. استفاده از روش‌های مهندسی متنوع، از مهندسی نانوذرات و سلول‌زدایی گرفته تا پرینت زیستی سه بعدی و الکتروریسی، برای ساخت داربست‌های مبتنی بر مواد زیستی دریایی استفاده شده است. 

کاربرد پلی ساکاریدهای دریایی در مهندسی بافت نرم
پلی ساکاریدها با گروه‌های عاملی متنوعی از جمله هیدروکسیل، آمینو، کربوکسیلیک اسید و آلدئیدها، خواص کونژوگاسیون بسیار خوبی را ارائه می‌دهند و به دلیل زیست تخریب پذیر، زیست سازگار و آب دوست برای کاربرد در دارورسانی، تحویل ژن، مهندسی بافت و کاربردهای مختلف زیست پزشکی مناسب هستند. کیتین‌ها آمینوپلی ساکاریدهایی هستند که در کوتیکول صدف‌های مختلف، سخت پوستان (مانند خرچنگ‌ها و میگوها)، و همچنین اسکلت‌های اسفنج‌های دریایی (یعنی اسفنج‌های دریای سرخ و دموسفنج‌ها) کشف شده و به عنوان مواد زیستی با ارزش ظاهر شده‌اند. این اسفنج‌ها اسکلت‌های سه بعدی متشکل از آلفا کیتین جزئی برومه شده با سیلیس و کربنات کلسیم را ایجاد می‌کنند.

اسفنج‌های دریایی
 توانایی اسفنج‌های Verongida برای رشد سریع در شرایط دریایی، کیتین اسفنجی را به یک منبع پایدار تبدیل می‌کند. این داربست‌ها بسیار زیست سازگار هستند، طراحی منحصر به فردی دارند و به راحتی می‌توان آن‌ها را جدا کرد و آن‌ها را برای تحقیقات زیست پزشکی جذاب می‌کند. در زمینه مهندسی بافت نرم، آن‌ها خواص مطلوبی را برای پشتیبانی از اتصال سلولی، تکثیر و تمایز ارائه می‌دهند، بنابراین بازسازی بافت‌های آسیب دیده یا بیمار را ترویج می‌کنند. علاوه بر این، hMSCها توانایی تمایز به سلول‌های چربی را هنگام کشت روی داربست‌های کیتین نشان دادند. آزمایش‌های انجماد نشان داد که داربست‌های کیتین می‌توانند فرآیند انجماد را بدون تغییرات ساختاری یا شیمیایی قابل توجه تحمل کنند. با این حال، کاهش در زنده ماندن و اتصال سلولی پس از ذوب وجود داشت، که نشان می‌دهد انجماد سلول‌ها در داربست سه‌بعدی در مقایسه با انجماد سنتی تعلیق چالش‌برانگیزتر است.

کراتینوسیت‌ها
 Cryomicroscopy نشان داد که تشکیل یخ در فیبریل‌های کیتین و انتشار یخ متعاقب آن می‌تواند به آسیب سلولی در طول انجماد کمک کند. در مطالعه مشابهی که توسط محققان انجام شد، نویسندگان داربست‌های کیتین بدون پروتئین مشتق شده از کاربرد مهندسی بافت پوست صنوبر Porifera (Aplysina fistularis) را ساختند. برای ساخت اثر داربست‌های مبتنی بر کیتین، آن‌ها به هندسه، تخلخل، و ویژگی‌های سطحی و خواص مکانیکی سه بعدی خاص نیاز دارند و مورفولوژی فیبری در مقیاس نانو آن‌ها باید بهبود زخم را تسریع کند و خواص ضد باکتریایی ارائه دهد، اما تغییرات در خواص و منشأ منبع بر آن تأثیر می‌گذارد. داربست‌های اسفنجی دریایی آماده‌شده ساختارهای متخلخل کلان مشخصی را با منافذ به هم پیوسته در اندازه‌های مختلف به نمایش گذاشتند. درجه استیلاسیون 79% محاسبه شد که نشان دهنده کیتین جدا شده از طریق تیمار قلیایی است. مشخص شد که درجه کمی از سمیت سلولی در کشت سلولی BALB/3T3 وجود دارد که نشان می‌دهد داربست غیرسمی است. مشاهده شد که انواع مختلف سلول، از جمله فیبروبلاست‌های پوستی انسانی (HDFs)، کراتینوسیت‌های HaCaT و رده‌های سلولی عصبی SH-SY5Y، روی داربست چسبیده و تکثیر می‌شوند. 
سلول‌های HaCaT ساختارهای منسجمی را بر روی سطح داربست تشکیل می‌دهند که سازماندهی بافت پوست را با حضور دسموزوم‌ها تقلید می‌کنند. سلول‌های SH-SY5Y همچنین چسبندگی و مهاجرت را روی داربست نشان دادند که پتانسیل آن را برای مهندسی بافت در بازسازی پوست و نورون‌ها نشان می‌دهد. از سوی دیگر، چالش‌های آینده شامل لزوم بهینه‌سازی برای کشت‌های سلولی سه بعدی بسیار زیست سازگار با تولید داربست مقرون‌به‌صرفه و استفاده از جذابیت داربست برای مهاجرت سلول‌های عصبی است.

کاربرد پروتئین‌های دریایی در مهندسی بافت نرم
منابع سنتی استخراج کلاژن از منشاء گاو و خوک در سال‌های اخیر به دلیل محدودیت‌های غذایی، محدودیت‌های اخلاقی و نگرانی‌های مربوط به بیماری‌هایی مانند انسفالوپاتی اسفنجی شکل گاوی (BSE)، آنسفالوپاتی اسفنجی شکل قابل انتقال (TSE) و پا و دهان با محدودیت‌هایی مواجه بوده است. به عنوان یک جایگزین، موجودات دریایی به عنوان منابع امیدبخش پروتئین از جمله کلاژن مورد توجه قرار گرفته‌اند. این موجودات، از جمله ضایعات ماهی و خارپشت دریایی، ماهی‌های کوچک و موجودات صید جانبی مانند چتر دریایی، کوسه‌ها، ستاره‌های دریایی و اسفنج‌ها، منابع بادوام کلاژن بدون محدودیت‌های اخلاقی یا بیماری هستند. 

ساختارهای حاصل از مواد دریایی 
استفاده از زیست توده دریایی دور ریخته شده و کم استفاده می‌تواند به یک رویکرد پایدار برای استخراج کلاژن کمک کند و در عین حال اثرات زیست محیطی را به حداقل برساند. به خصوص Spongin، یک اسکلروپروتئین هالوژنه موجود در اسکلت‌های عاری از مواد معدنی دموسفنج‌ها، به ویژه آن‌هایی که در زیر کلاس کراتوزا (Chelonaplysilla violacea) قرار دارند، ساختار فیبری اسفنج‌های حمام را تشکیل می‌دهد که عمدتاً برای مهندسی بافت استخوان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، Chondrosia reniformis، یک demosponge، منبع فراوانی برای کلاژن دریایی است که برای کاربردهای پزشکی، جراحی و زیبایی با توجه اخیر بر روی استفاده از آن به عنوان یک الگوی ارگانیک برای سیلیس‌سازی، بهبود خواص مکانیکی هیبرید الهام‌گرفته شده از بیومیمتیکی مناسب است.

موارد ساخته شده
کوسه‌ها، بر خلاف انسان و اکثر مهره داران دیگر، مدل منحصر به فردی را برای بازسازی غضروف ارائه می‌دهند، زیرا ساختار اسکلتی آن‌ها به دلیل عدم وجود استخوان سازی غضروفی کاملاً از غضروف تشکیل شده است. کلم استخراج شده از پوست Prionace glauca، یک گونه کوسه معمولی صید شده، به راحتی قابل دستیابی است و شباهت‌هایی به کلم پستانداران نشان می‌دهد و آن را به منبعی ارزشمند برای تحقیقات و کاربردهای بالقوه تبدیل می‌کند. سازه‌های سه بعدی متخلخل بسیار به هم پیوسته ساخته شده از Col و HA (20:1) (Col-HA) با روش کرایوژلاسیون تهیه شدند. فعالیت متابولیکی سلول‌های بنیادی چربی انسانی (hASCs) کاشته‌شده بر روی داربست‌های Col-HA با توزیع همگن سلول‌های زنده روی داربست‌ها بسیار حفظ شد. تجزیه و تحلیل بافت شناسی افزایش قابل توجهی در تراکم سلولی از روز 1 تا 7 را نشان داد که نشان دهنده تکثیر سلولی و مهاجرت در داخل داربست است.

نتیجه گیری و چشم اندازهای آینده
بیومواد مشتق شده از دریا به دلیل زیست سازگاری استثنایی خود، نوید زیادی برای کاربردهای زیست پزشکی دارند. این مواد مزایای زیادی نسبت به منابع پستانداران سنتی دارند، مانند پایداری، مقیاس پذیری، کاهش خطرات بیماری مشترک بین انسان و دام و محدودیت‌های اخلاقی کمتر. با این وجود، چالش‌های متعددی وجود دارد که باید برای ترویج استفاده گسترده‌تر آن‌ها در مهندسی بافت مورد توجه قرار گیرد. یکی از چالش‌های مهم، به‌ویژه در موجودات آب سرد، دمای دناتوراسیون پایین‌تر بیومواد دریایی است. این بر شرایط پردازش تأثیر می‌گذارد و به امکانات تخصصی مانند اتاق‌های سرد و تغییرات برای پایداری حرارتی نیاز دارد. یک رویکرد پایدارتر شامل کاوش مواد زیستی دریایی از گونه‌های آب گرم با پایداری حرارتی بهتر است که شرایط پردازش ملایم‌تر و تغییرات کمتری را فراهم می‌کند. شرایط نگهداری مناسب برای حفظ یکپارچگی مواد زیستی و جلوگیری از آلودگی آندوتوکسین باکتریایی حیاتی است. اطمینان از شرایط استریل، پیروی از شیوه‌های تولید خوب، و اجرای کنترل کیفیت دقیق در طول استخراج، به ویژه در مقیاس تجاری، از اهمیت بالایی برخوردار است.