مهندسی بافت دریچه های قلبی

بیماری های دریچه ی قلبی یکی از مهمترین دلایل مرگ و میر در سطح جهان محسوب می شود. جراحی های جایگزین و تعویض کلاسیک دریچه شامل ایمپلنت دریچه های مکانیکی و یا انواع بیولوژیکی آن به صورت هومو یا زنوگرفت می شود. مهندسی دریچه های قلبی ایده های تجربی تازه ای را برای بهبودبخشی به مدهای درمانی پیرامون این نوع جراحی ها عرضه کرده است. خط مشی های گوناگونی در زمینه انتخاب داربست و نیز دستیابی به منابع سلولی و یافتن راه حل هایی برای تعامل این دو پیشنهاد شده است. این داربست ها از پلیمرهای مصنوعی زیست تخریب پذیر و یا داربست هایی که از زدایش سلولی قلب طبیعی ایجاد شده و می توانند هوموگرفت یا زنوگرفت باشد ، نشأت می گیرد. به علاوه منابع سلولی می تواند از سلول های مشتق شده از عروق ، مغز استخوان و یا سلول های نیایی از خون محیطی باشد. آنچه در مورد مهندسی دریچه های قلبی حائز اهمیت است ، ترکیب این دو مقوله به جهت رسیدن به یک پروتز ایمن و کامل است. به علاوه چنین سلول هایی به راحتی و با روش های روتین کلینیکی قابل دستیابی است. تاکنون از پتانسیل این سلول ها برای تمایز به رده ی Non-Hematopoietic بهره گرفته شده است.

همانطور که اشاره شد ، بیماری های مربوط به دریچه ی قلب و نقصان عملکرد آن از دلایل بسیار عمده مرگ و میر در سراسر جهان محسوب می شود. در ایالات متحده آمریکا تقریباً بیست هزار نفر به صورت سالیانه و به طور مستقیم به علت نقایص دریچه های قلبی از بین می روند. همچنین ۶۰ هزار جراحی تعویض دریچه صورت می پذیرد. جراحی تعویض دریچه روشی مؤثر بوده که طی آن دریچه های مکانیکی و یا بیولوژیکی همانند دریچه های ثابت گلوتار آلدهید به صورت زنوگرفت از حیوانات و یا دریچه های هوموگرفت انسانی و منجمد شده که از اهداکنندگان داوطلب جایگزین دریچه های بیمار می شوند. مشکل اصلی دریچه های مکانیکی این است که چنین پروتز هایی مواد غیرخودی و بیگانه را به بدن عرضه می نماید. از طرف دیگر ، خطر ابتلا به عفونت و نیز عوارض ترومبوآمبولیک افزایش پیدا می کند. برای جلوگیری از چنین عارضه ای از درمان هایی که به مدت طولانی نقش ضد انعقادی را برای خون برعهده می گیرند ، استفاده می شود که به نوبه ی خود خطر خونریزی های شدید را به دنبال خواهد داشت. جدای از این ، مشکلات مضاعفی نظیر مسمومیت جنینی در زنان جوان باردار ، به علت مصرف وارفارین که از لخته شدن خون بر روی دریچه ی ایمپلنت شده ممانعت می کند ، بروز می نماید. استفاده از دریچه های بیولوژیکی این موضوع را الزام می دارد که هر ۱۰ الی ۱۵ سال این پروتز ها تعویض شوند که البته در افراد جوان تر به علت سطوح بالاتر عملکردهای سیستم ایمنی این مدت زمان کمتر است. اساساً تمامی پروتزهای کلینیکی موجود ساختارهای غیرزیستایی را نشان داده و فاقد قابلیت رشد هستند. چنین فقدانی در کودکانی که دچار عارضه ی دریچه ای هستند به طور محسوسی خود را نشان می دهد. تقریباً یک درصد از تمامی نوزادان دارای نقایص مادرزادی دریچه ی قلبی بوده و نیز تعدادی از آنها نیازمند به اعمال جراحی باز قلب برای تعویض دریچه هستند. چون دریچه های موجود فاقد توانایی رشد است ، لذا تکرار چنین تعویضی طی سالیان متمادی سبب افزایش میزان مرگ و میر در بین کودکان تحت عمل جراحی می شود.

ایده ی مهندسی پزشکی در راستای مهندسی دریچه های قلب
به منظور غلبه بر محدودیت های وارد بر روش های تعویض دریچه ، ایده کاربرد مهندسی پزشکی در راستای استفاده از داربست و تعامل آن با سلول ها برای تولید دریچه مطرح شد. این رویکرد شامل داربست های مصنوعی و زیست تخریب پذیری بود که در آن ها سلول های مشتق شده از خود فرد کشت می شد. همچنین استفاده از داربست های زدایش سلولی شده که به صورت آلوگرفت و زنوگرفت مورد استفاده قرار می گرفتند ، مورد بررسی واقع شدند. هدف نهایی مهندسی بافت تولید سازه های بافتی توسط سه جز سلول ، داربست و فاکتورهای رشد مربوطه است. لذا برای تولید یک دریچه با عملکرد مناسب ، پارامترهایی مانند خصوصیات و ویژگی های مکانیکی ، مانایی دریچه ، عملکرد همودینامیکی مناسب ، عدم بروز پاسخ های ایمونولوژی و التهابی ، مورد بررسی واقع می شود.
موفقیت دریچه های قلبی مهندسی شده یا Tissue Engineered Heart Valves به سه موضوع مهم وابسته است:
۱- داربست یا ماتریکسی که بتواند فضایی سه بعدی با ساختمان اولیه ی هدایت کننده جهت ضمیمه ی سلول و به دنبال آن توسعه ی سازه بافتی ، فراهم آورد.
۲- منابع سلولی مناسب
۳- شرایط آزمایشگاهی مناسب برای کشت بافت زنده قبل از کاشت در بدن

داربست های حاصل از پلیمرهای مصنوعی
پلیمرهای زیست تخریب پذیر مانند پلی گلاکتین (Polyglactin ، (PGA ، PLA ، PLGA ، کوپلیمر پلی گالاکوئیک اسید و پلی لاکتیک اسید برای کاربردهای مهندسی بافت قلبی عروقی مفید است. چنین موادی برای کاربردهای جراحی مورد پذیرش بوده ، به علاوه کاملا زیست سازگار و زیست تخریب پذیر است. اخیراً داربست های پلیمری شامل پلی گالاکوئیک اسید به صورت غیر بافته که به وسیله ی Poly4Hydroxy Butirate پوشش داده شده است ، معرفی شدند. ترکیب چنین پلیمرهایی سبب عرضه ی خواص ترموپلاستیکی می شود که امکان الگو زدن داربست ها را برای تولید اشکال سه بعدی پیچیده میسر می سازد. چنین رویکردی در تولید دریچه های سه لتی قلبی مفید است. مهمترین مزیت مواد مصنوعی خصوصیت زیست تخریب پذیری و خصلت بیومکانیکی مناسب آنهاست که می تواند به صورت شیمیایی و بر اساس نیازهای مطرح شده برای کاربردهای خاص طراحی شود. همچنین پروتئین های خاصی مانند فاکتورهای رشد به منظور ارتقای تمایز سلول ها به بافت موردنظر مورد نیاز است.

مواد بیولوژیکی
ماتریکس خارج سلولی یا ECM شامل ترکیبی از پروتئین های ساختاری و عملکردی است. گلیکوپروتئین ها و نیز پروتئوگلیکتن ها جهت تولید سازه ای فراساختاری سه بعدی و بی همتا دسته بندی می شوند. چنین موادی می توانند حمایت ساختاری و نیز مکان هایی را برای اتصال رسپتورهای سطحی فراهم آوردند و به عنوان یک ذخیره برای عوامل سیگنالینگ که موظف بر تنظیم پروسه های بیولوژیکی مانند رگ زایی ، تولید عروق ، مهاجرت و تکثیر سلولی هستند ، عمل می کنند.
با این رویکرد ECM می تواند به عنوان یک ماتریکس ایده آل برای ترمیم و بازسازی بافت ، به کار گرفته شود. رویکردی دیگر استفاده از همو یا زنوگرفت های زدایش سلولی شده است که به طور موفقیت آمیزی مجدداً توسط انواع مختلفی از سلول های اندوتلیال عروقی انسان و یا فیبروبلاست های پوستی (جلدی) نوزادی مورد کشت قرار گرفتند. Steinhoff و همکارانش سلول های اندوتلیال و میوفیبروبلاست را بر روی مجرای دریچه ی قلبی که سلول های آن زدایش شده بودند ، کشت داده و آن را در یک مدل حیوانی ایمپلنت کردند. پژوهشی دیگر بر روی دریچه ششی خوکی که سلول های آن زدایش شده بودند ، صورت گرفت.
بر روی این دریچه سلول های اندوتلیال مشتق از خود فرد کشت شد. این گروه اساس مطالعات کلینیکی را بر روی سازه های پیوندی تحت زدایش سلولی ، بنا نهاد. با وجود این که مهندسی پزشکی به طور کامل احتیاجات پزشکان را اجابت نکرد ، اما ممکن است رویکرد پیوند داربست در بدن بیمار با تکیه بر تکثیر خود بخودی و مستقل سلول ها بتواند نخستین گام در جهت تولید جایگزین های زنده به حساب آید. هموموگرفت و یا زنوگرفت های تحت زدایش سلولی می بایست در نتیجه پروسه هایی که دارای مینیمم تغییر بر روی دریچه هستند ، تولید شوند.
چنین پروسه هایی با حداقل و یا بدون هیچ ای توپ آنتی ژنی ، تحت شرایط آزمایشگاهی ایده آل اجرا می شوند. فرآیندهای مربوط به سلولی کردن این پیوندها در شرایط Invivo صورت می گیرد. این سلول ها می توانند به احتمال زیاد سلول های بنیادی و یا سلول های پروژنیتورهای مزانشیمال بدست آمده از مغز باشند. مطالعات صورت گرفته گویای امکانپذیری ایده ی مطرح شده بود. همچنین به دنبال آن مطالعات کلینیکی نیز صورت گرفت. نخستین بار عمل پیوند دریچه بر روی کودکان صورت گرفت. این پیوند به علت عدم پذیرش بدن با شکست مواجه شد. علت این پدیده پاسخ التهابی ایجاد شده در نتیجه ی پیوند بود. از عوامل دیگری که کاربرد این نوع پیوند را دچار مشکل می کرد ، بروز واکنش های ایمونوژنیک ، ریسک انتقال بیماری هایی مانند Creutzfield-Jakob ، انتقال میکروارگانیسم ها و نیز رتروویروس به ویژه هنگام اجرای پروسه های Fixation متناوب است. با این وجود چنین اصلاحات و تغییر و تبدیل هایی میزان ماندگاری پروتزها ، فقدان خاصیت رشد بودن این پروتزها ، محدودیت های حاصل از داربست های خارج سلولی و غیرزنده و نیز انواع تخریب ناپذیر آنها را به ویژه در مورد کاربرد این دریچه ها در کودکان بهبود بخشیده و مرتفع می سازد.

مهندسی بافت دریچه های قلبی اتولوگ با استفاده از داربست های مصنوعی
ایده ی مهندسی بافت دریچه های قلبی نخستین بار توسط Shianko و همکارانش در سال ۱۹۹۵ مطرح شد. آنها از شبکه های بافته شده ی Polyglactin که به وسیله دو شبکه بافته نشده ی PGA احاطه شده بود ، استفاده کردند. این کار برای تولید دریچه های تک لتی ششی و با کشت مجدد سلول های اندوتلیال و یا میوفیبروبلاست بر روی آن ها صورت گرفت. به منظور تولید دریچه های سه لتی مواد بر پایه پلی هیدروکسی آلکانوآت (PHA) مورد استفاده واقع شد و در مدل های Sheep مورد ارزیابی قرار گرفت. چنین دریچه هایی به طور همزمان گشوده شدند و تولید لخته در آنها مشاهده نشد. در طول زمان مشاهده شد که این دریچه ها سبب تنگی خفیف مجرا و اندکی بازگشت خون شد. مهمترین نقص این روش تخریب طولانی مدت داربست ها بود که به نوبه ی خود سبب مقاومت داربست در شرایط Invivo می شد ، در نتیجه سبب عدم جایگزینی به هنگام توسط بافت اتولوگ می شدند. متعاقباً مواد مختلف دیگری برای تولید داربست و نیز شرایط متنوع کشت مورد آزمایش قرار گرفت. گسترش سلول ها بر روی PGA یک ماتریکس خارج سلولی خیلی ایده آل تر نسبت به بسیاری از پلیمر های دیگر را نشان داد. با این وجود PGA برای تولید داربست های مربوط به دریچه های سه لتی گزینه ی مناسبی محسوب نمی شود ؛ چرا که این ماده به عنوان یک شبکه بافته نشده از فیبرهای نابسامان شناخته شده ، لذا نمی توانند با نام یک ساختار از پیش تعیین شده در شرایطی که تحت جریان خون قرار می گیرند ، خود را معرفی کنند. جهت ارتقای استحکام مکانیکی PGA دانشمندان اندکی تنش برشی به داربست اعمال کردند که پاسخ مثبتی را نیز به دنبال داشت. استفاده از الاستومرهای پلاستیک P4HB به عنوان یک ماده ی پوشش دهنده برای داربست PGA جهت تقلید شرایط ضربانی موجود در قلب جهت مهندسی دریچه مورد بحث و بررسی قرار گرفت. این داربست ها دارای تخریب مناسب بوده و خصوصیت همودینامیکی مناسب از خود نشان دادند. به علاوه ویژگی مکانیکی و نیز مورفولوژی به مقدار زیادی نزدیک با ساختار دریچه ی طبیعی بود.

منابع سلولی
– سلول های به دست آمده از سیستم قلبی و عروقی
بسیاری از سلول های مورد نیاز برای مهندسی بافت قلبی و عروقی توسط بافت های اهدایی به دست می آید. برای مثال یکی از این منابع ، شریان های محیطی مانند شریان پستانی و شریان شعاعی و یا وریدهایی که به طور معمول در اعمال جراحی قلب مورد استفاده قرار می گیرند ، است. خط سلولی (Cell Line) خالص از سلول های اندوتلیال و میوفیبروبلاست که از مخلوط سلول های عروقی به دست می آیند. مشخص شد که سلول های به دست آمده از ورید ، دارای تکثیر زیادتری در کشت تک لایه ی سلولی هستند. همچنین تشکیل ECM حین نمو سازه ی بافتی در مقایسه با میوفیبروبلاست های مشتق از شریان ها ، در این نوع از سلول ها افزایش بیشتری دارد. برای حصول این روش می بایست ساختارهای رگی سالم شکافته شوند. از دیگر سو ، چنین رگ هایی به لحاظ موجودیت با محدودیت مواجه هستند که از معایب این رویکرد محسوب می شود. به علاوه چنین سلول هایی ممکن است گاهی فنوتیپ هایی متفاوت را نسبت به سلول های بینابینی دریچه ای طبیعی از خود نشان دهند. همچنین به هیچ وجه نمی توان از عروق افراد مبتلا به آرتروکلروزیس سیستمیک برای تأمین منبع سلولی استفاده کرد.

– سلول های مغز استخوان
با توجه به کاربردهای کلینیکی ایده ی مهندسی بافت ، سلول های مغز استخوان شامل سلول های MSC و یا سلول های نیایی استخراج شده از خون محیطی می توانند گزینه های مناسبی برای این کار باشند. مغز استخوان تنها منبع جهت تأمین سلول های نیایی برای گلبول های قرمز و یا سایر سلول های خونی محسوب نمی شود اما سلول هایی را عرضه می کند که از بافتی غیرخونساز است.
کاربرد MSCها فواید زیادی از جمله فواید زیر را به دنبال دارند:

•  به دست آمدن آنها به سهولت صورت می گیرد.

•  دارای ظرفیت تکثیر بالایی در شرایط Invitro هستند.

•  قابلیت تمایز بالایی به انواع مختلفی از بافت ها را دارا هستند.

MSCها را می توان با ایجاد یک سوراخ کوچک و ساده در ناحیه ی تاج خاصره (Ilic Crest) در شرایط بی حسی موضعی استخراج نمود. تراکم پایین این سلول ها را می توان توسط سانتریفیوژ گرادیان تراکم یا Density Gradient Centrifuge به حد دلخواه رساند. این سلول ها به علت خاصیت چسبندگیشان انتخاب می شوند. تکنیک های کشت مرسوم برای بسط و گسترش سلولی مورد استفاده قرار می گیرد. MSCهای شامل سلول های خونساز قادر به تشکیل اندام سفت و توپر میان کاردیومیست های عملگر و ساختارهای رگی هستند. مهندسی بافت پیشنهاد می کند که می توان از ریزمحیط هایی که تمایز سلولی را به سمت تولید فنوتیپ های مناسب جهت کاربردهای اتولوگ هدایت می کنند ، بهره برد. پس از کشت سلول ها روی داربست پلیمری و برقراری شرایط مطلوب در محیط سیال ضربانی (Pulstile Flow Environment) مقادیر قابل توجهی از پروتئین های ماتریکس خارج سلولی تولید می شوند که در نهایت منجر به محصول دریچه ی سه لتی قلبی می گردد. به علاوه خصوصیات مکانیکی مانند استحکام کششی تک محوری که در دریچه ی طبیعی مشاهده می شود در این دریچه های مهندسی شده که سلول های آن از بافت عروقی خود فرد بود استخراج شده بود قابل رویت است.

نتیجه گیری
پروتزهای بیومکانیکی و بیولوژیکی دریچه ی قلب می تواند جایگزینی برای دریچه های مبتلا به عارضه باشد و عملکردی مشابه را نیز داشته باشد. با این حال دریچه های مکانیکی دارای عوارض جانبی بوده که در طولانی مدت نیاز به درمان های ضدانعقادی حس می شود. از طرفی بیماران دارای دریچه های بیولوژیکی از نقصان عملکرد به واسطه ی تخریب آنها رنج می برند. اساساً دریچه های موجود بافت جایگزین غیرزنده ای را عرضه می کنند و فاقد پتانسیل لازم برای نوزایی و رشد هستند. در سال های اخیر گرایش بیشتری برای کاربرد دریچه های مکانیکی نسبت به دریچه های بیولوژیکی مشاهده شده است. استفاده از گلوتار آلدهید ترکیب شده با گرفت های هومو و زنو ، مناسب و ایمن بوده ؛ همچنین سمیت زدایی این گرفت ها و نیز بذرپاشی و کشت مجدد آنها با فیبروبلاست و یا سلول های اندوتلیال خود بیماران ، ماندگاری این پروتزها را افزایش می دهد. استفاده از داربست های زنوژنیک و یا هوموژنیک زدایش شده که تحت حداقل پردازش قرار گرفته اند ، برای کاربردهای مهندسی بافت این امکان را فراهم می آورد تا بتوان با استفاده از سلول های اتولوگ برای آنها تراکم سلولی مجدد ایجاد نمود. با این وجود چنین روشی نیز با محدودیت هایی از جمله بحران زا بودن پاسخ های ایمنی به وجود آمده و نیز انتقال بیماری ها روبرو است. به علاوه چنین پروتزهایی قابلیت رشد نداشته ، لذا برای کودکان دچار عارضه کاربردی ندارند. استفاده از مواد مصنوعی زیست تخریب پذیر در بسیاری از جراحی های مدرن طی سالیان متمادی بنا نهاده شد. دسترسی به این مواد آسان بوده ، ایمن هستند و هیچ پاسخ ایمنی و عوارض جانبی به علت محصولات ناشی از تخریب را ایجاد نمی کنند. بعد از تخریب داربست در بدن ، سازه ی بافتی زنده ی تولید شده در محل کاشت باقی مانده و دارای قابلیت تطبیق ، تغییر شکل و رشد هستند. به علاوه به علت استفاده از سلول های اتولوگ امکان پذیرش توسط بافت میزبان بسیار بالاست. لذا ریسک پاسخ های ایمنی و انتقال عفونت به حداقل می رسد. سلول های به دست آمده از مغز استخوان منبع مناسبی جهت دست یابی به سلول ها هستند. جمع آوری این سلول ها کمترین حالت تهاجمی را داشته و نسبت به سلول های مشتق شده از عروق سریع تر رشد می کنند. چگونگی مکانیزم تمایز این سلول ها به طور کامل دریافته نشده است. لذا هنوز جای خالی برای بهبود شرایط مانند استفاده از پادتن ها برای گزینش زیر مجموعه های خاصی از MSCها و یا استفاده از فاکتورهای رشد طی پروسه های کشت وجود خواهد داشت. در حالت ایده آل هنگامی که تکنیک های مربوط به مهندسی بافت برای کاربردهای کلینیکی معرفی شوند ، برنامه برای بیماری که دارای عارضه ی دریچه ی قلب است می تواند به صورت زیر باشد:
۱) جمع آوری سلول با استفاده از یک سوراخ کوچک مغز استخوان در حالت بیهوشی
۲) تمایز و گسترش سلولی و مهندسی پروتز دریچه در شرایط Invitro
۳) بررسی معیارهای کیفی مانند خصوصیات بیوشیمیایی ، هیستولوژی و ایمنی که در ایمپلنت بافت اتولوگ و زنده تأثیرگذار است.
۴) کاشت پروتز در بدن بیمار بعد از مدت زمان ۶ الی ۸ هفته

منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی