کاربر مهمان ||  ورود

مطالب علمی و فنی - ماهنامه مهندسی پزشکی

ماهنامه شماره 210

نگاهي اجمالي بر مهندسي بافت کليه

نویسنده: فرزانه اعواني؛ دانشجوي دکتري مهندسي بافت، دانشگاه صنعتي اميرکبير

نگاهي اجمالي بر مهندسي بافت کليهدریافت فایل - 454KB

از دست دادن بافت يا ارگان به دليل تخريب جراحتي يا غير جراحتي باعث بروز مشکلات عمده اي در سلامتي انسان ميشود که شديداً بر روي وضعيت بيمار و طول عمر او تأثير ميگذارد. روشهاي درماني به صورت جراحيه اي سنتي، پيشنهاد ميدهند که از يک ناحيه دوم، بافتهاي خودي براي ترميم يا جايگزيني بافتها يا ارگانهاي تخريبشده استفاده شود. براي برخي ارگانها مانند کليه پيوند آلوژنيک اجازه ترميم کارکردي را ميدهد. با اين وجود، تأمين Allograft محدود است و ليست انتظار طولاني براي پيوند ارگان و بافت نشان دهنده نياز به يک متد جديد به منظور غلبه بر محدوديتهاي درمانهاي قديمي ميباشد.
کليه انساني، يک جفت ارگان لوبيايي شکل است که در ناحيه خلف صفاقي (رتروپريتونئال يا پشت شکمي) قرار گرفته اند. محل قرارگيري آنها به صورت طبيعي در قسمت فوقاني تا محاذات دنده 12 و قسمت تحتاني تا سومين مهره کمري است. در برش عمودي کليه ها، دو ناحيه مجزا مشاهده ميشود. ناحيه بيروني کمرنگتر يا کورتکس، حدود  1سانتيمتر ضخامت دارد. ناحيه تيره رنگ داخلي مدولا نام دارد و از 6 تا 15 (به طور ميانگين تا 8) ساختمان مخروطي شکل تحت عنوان هرم (پيراميد) تشکيل شده است. قاعده هريک از هرم ها در محل اتصال کورتکس و مدولا قرار گرفته است و رأس آن، پاپيلا، به سمت ناف کليه امتداد مييابد. مدولا نيز متعاقباً به دو ناحيه خارجي که حاوي رشته هاي خارجي و داخلي مدولاي خارجي است و يک ناحيه داخلي که پاپيلا را دربر ميگيرد تقسيم ميشود. اين تمايز که از نظر ظاهري واضح است، حائز اهميت است چراکه اجزاي ويژه عروقي و توبولي هر ناحيه، همگي در عملکرد کليه مهم هستند.

aavani210_1.jpg


شکل ۱. محل قرارگیری کلیه ها در بدن و برش مقطعی کلیه


فيزيولوژي کليه
• دفع محصولات زائد متابوليک، مواد شيميايي خارجي، داروها و متابوليتهاي هورمونها
• تنظيم تعادل آب و الکتروليتها
• تنظيم فشار شرياني و تنظيم تعادل اسيد و باز
• تنظيم توليد گلبولهاي سرخ
• توليد 1-25 دي هيدروکسي ويتامين D3

روند ترميم کليه
براي درک بهتر از توانايي ترميم کليه به اطلاعاتي از مراحل تکامل نياز است. عملکرد کليه ماهي هاي بدوي توسط پرونفرون ها انجام ميشود. پرونفرونها شامل يک مجراي بزرگ نفرون است که ضايعات را از بدن فيلتر ميکند و به بيرون ميفرستد، بنابراين تنها ميتوانند آب را به خوبي فيلتر کنند. در ماهي هاي تکامل يافته تر، پرونفرون ها تنها در مراحل اوليه تکامل کار ميکنند و در دوران بزرگسالي با يک عضو تصفيه جديد به نام مزونفرون جايگزين ميشوند. مزونفرون داراي غده درونريز (اندوکرين) است و از صدها نفرون تشکيل ميشود. بعد از ماهي هاي تکامل يافته، دوزيستان قرار دارند که توانايي زندگي در دو محيط آبي و خشکي را دارند. دوزيستان نيز در مراحل اوليه تکامل داراي پرونفرونها هستند که در بزرگسالي به مزونفرون تبديل ميشوند.

aavani210_2.jpg

شکل2. شکل گیری نفرون ها
داده هاي اخير نشان ميدهد که سلولهاي بنيادي و پيشرو در ترميم کليه نقش کليدي بازي ميکنند. براي مثال در ماهي ها، سلولهاي Lhxa/EGFP+ که سلولهاي بنيادي و Wt1b+ که سلولهاي پيشرو هستند وظيفه ساخت نفرون جديد را برعهده دارند. به علاوه، نفرون ها در کورتکس و مدولا قرار ندارند بلکه توسط يک بافت ميان نهاده احاطه شده اند که در ساخت نفرون جديد مهم هستند. در حشرات نيز سلولهاي مزانشيم و بنيادي که سيگنال JAK-STATE را توليد ميکنند مسئوليت ساخت نفرون جديد را بر عهده دارند؛ اگرچه مطالعات زيادي درمورد دوزيستان صورت نگرفته است اما به دليل شباهت با ماهي ها ميتوان گفت روند ساخت نفرون يکسان است ولي در قورباغه بالغ به دليلPost-metamorphosis  ديگر ساخت کليه جديد صورت نميگيرد. خونسردان نيز به عنوان حيوانات تکامل يافته تر داراي کليه متانفريک هستند اما کورتکس و مدولا ندارند و هر نفرون در لوبول ها ميچرخد و وارد مجراي ادرار ميشود. در کليه اين موجودات ناحيه نفروژنيک وجود دارد که باعث ساخت نفرون جديد در ايگوآناي سبز، مارمولک و لاکپشت سبز ميشود. البته در مارمولک به دليل افزايش وزن، تعداد نفرونها افزايش مييابد. با توجه به بررسي اين دسته از موجودات، ميتوان دريافت که در کليه هاي متانفرون نيز ساخت نفرون جديد ممکن است. پرندگان هم داراي کليه متانفريک هستند و ساختار کليه آنها مابين خونسردان و پستانداران است. به اين صورت که داراي نفرونه ايي با لوله هنله و نفرونهاي محيطي هستند. نفرونهايي که داراي لوله هنله هستند توسط کورتکس و مدولا احاطه شدهاند چون لوله هنله در اطراف مجراي ادرار الگوي متشعشعي را ميسازد که باعث شکلگيري ناحيه کوچک مدولا در کليه پرندگان ميشود. اما نفرون هاي محيطي لوله هنله ندارند بنابراين کورتکس و مدولا ديده نميشود. پستانداران به عنوان تکامليافتهترين موجودات روي زمين،داراي مدولاي عميقي هستند که توسط لوله هنله و مجراي ادرار ساخته ميشود و به شکل هرمي در کل کليه پخش شدهاند. تمامي نفرونها لوله هنله دارند ولي طولشان در مدت رشد متفاوت است، تعداد نفرونها بسيار زياد است و تنها در دوران جنيني امکان ساخت نفرون جديد وجود دارد و بعد از آن تنها در آسيب هاي نسبي، توانايي ترميم نفرونها توسط سلولهاي پيشرو ديده ميشود. پستانداران را ميتوان در دو زيرمجموعه جوندگان و انسانها بررسي کرد. در جوندگان مانند موشها، نفرونها توسط سلولهاي اپيتليال باقيمانده و سلولهاي پيشرو ترميم ميشوند. سلولهاي پيشرو در اين حيوانات در کنار سلولهاي تمايزيافته در توبولها پراکنده شدهاند. اين سلولها به مرگ مقاوماند و در نواحي ترميمشده معمولاً 50 درصد جمعيت سلولي را تشکيل ميدهند. اين سلولها در کپسول بومن نيز يافت ميشوند و ميتوانند به دستههاي مويرگ مهاجرت کنند. بنابراين جمعيت مختلفي از سلولهاي پيشرو در نفرون و شاخه و کپسول بومن پراکنده شدهاند که توانايي ترميم سلولهاي اپيتليال توبول و گلومر را دارند. در انسانها، سلولهاي بنيادي کليه مارکر CD133 و سلولهاي مزانشيم متانفريک مارکر CD24 و سلولهاي پيشرو نيز هر دو را به صورت همزمان بيان ميکند. سلولهاي پيشرو در اين موجودات ايزوله شدهاند و قابليت تمايز به اپيتليال توبول و گلومر را دارند. اين سلولها در هفته 8 و 9 بارداري بسيار زيادند و با رشد انسان تعدادشان کاهش ميبايد تا جايي که در انسان بالغ تنها 2 درصد از جمعيت سلولي کليه را تشکيل ميدهند. اين سلولها به صورت هاي مختلف توبولي، پودوسيتي و کليوي وجود دارند. سلولهاي پيشرو کليوي در بدنه هاي s شکل داراي فنوتيپي مشابه با ماهيها ودوزيستان هستند و به عنوان منادي براي تمامي سلولهاي اپيتليال نفرون غشايي عمل ميکنند. اما در کليه بالغ توانايي تمايز به دو سلول اپيتليال گلومر و توبول را دارد و در نقطه ايي بين اين دو قرار گرفته است. سلولهاي پيشرو پودوسيتي داراي ويژگيهاي انتقالي از پودوسيت و پيشروها هستند و تنها به پودوسيتها تمايز مييابند و در کپسول بومن قرار دارند. در انتها، سلولهاي پيشروي توبولي که ويژگيهاي انتقالي اپيتليال توبول و پيشرو را دارند و تنها به سلولهاي توبول تمايز مييابد، فاکتور CD106  را بيان نميکنند و در توبول پراکنده شدهاند. اين سلولها 2 تا 3 درصد از سلولهاي توبول را در کليه سالم و بالغ تشکيل ميدهند اما هنگامي که سلولهاي تمايزيافته اطرافشان ميميرند، تعدادشان افزايش مييابد. درنتيجه سلول هاي پيشرو انساني ميتوانند انسجام توبول را بعد از چند دوره تقسيم، حفظ کنند. در بيماراني با آسيب حاد، سلول هايي که CD133+ CD24+ CD106-  را بيان ميکنند، تکثير مييابند. همچنين، افزايش تکثير در سلول هاي پيشرو توبولي در بيماراني با نکروز توبول حاد ديده شده ميشود.

مهندسي بافت براي ترميم کليه
کليه بافت بسيار پيچيدهاي است و از سلولهاي گوناگون تشکيل شده است که عبارتاند از :
1. Kidney glomerulus parietal cell
2. Kidney glomerulus podocyte
3. Kidney proximal tubule brush border cell
4. Loop of Henle thin segment cell
5. Thick ascending limb cell
6. Kidney distal tubule cell
7. Collecting duct principal cell
8. Collecting duct intercalated cell
9. Interstitial kidney cells
آسيبهاي کليوي به دو صورت حاد و مزمن است. در نوع حاد نکروز و آپوپتوز توبول، تغيير موانع فيلتراسيون، فيلتراسيون نادرست گلومرول، تنگشدگي و انسداد توبول به همراه تورم اينترستيتال و فعالشدن آنزيمهاي پروتئوليتيک مشاهده ميشود. اگر سلولهاي آسيبديده با سلولهاي عملکردي توبول جايگزين نشوند فيبروز توبول و اينترستيتال رخ ميدهد که منجر به آسيب مزمن ميشود. درمانهاي موجود مانند دياليز تنها عملکرد فيلتراسيون کليه را با حذف مواد خاص سمي از خون انجام ميدهد ولي توليد اريتروپوتئين و فعالسازي ويتامين د را انجام نميدهد. باتوجه به اين محدوديتها براي درمان آسيبهاي کليوي به بازسازي کليه با سلولهاي خاص و عملکردي کليه نياز است. پيشرفت آسيبهاي مزمن به بيماري مرحله نهايي کليه ختم ميشود که تنها درمان آن پيوند کليه است. اما دهنده هاي کليه تنها، 25 درصد نياز را برطرف ميکنند بنابراين مهندسي بافت و پزشکي ترميمي راه حلهاي اميدوارکننده اي به نظر ميآيند. اجزاي اصلي براي مهندسي عملکرد کليه سلول زنده، داربست ها بر پايه بيومتريالها، فاکتورهاي زيست فعال و ريزمحيط هاي مناسب هستند که رفتار سلولي را بهبود ميبخشند. به دليل مشکل بودن بازسازي ساختار کليوي آسيبديده، در مطالعات اوليه، بافت کليوي پاتولوژي را با ساختاري حاوي سلول هاي کليوي جايگزين ميکردند. کاشت اين سازه در محيط درونتني، تشکيل ساختار کليوي که مايع مشابه اوره توليد ميکرد را نشان داد. نتايج حاکي از امکان برگرداندن عملکرد کليه با اين سازههاي مهندسي شده بود. اطلاعات بيولوژي سلولهاي بنيادي و تکنيکهاي کشت سلولي سبب شد تا مطالعات پايه ايي براي تعيين نوع سلول مورد استفاده صورت گيرد. براي مثال پودوسيتها جمعيت حائز اهميت سلولي در گلومرول هستند که در فيلتراسيون گلومرول از سلولهاي اندوتليال و مرانژيوم نقش مهمتري دارند. اما در کليه صدمه ديده محدوديت تکثير دارند و کاهش 20 تا 40 و 60 درصد از پودوسيتها باعث نکروز گلومرول ميشود. بنابراين محققان در تلاش هستند تا با استفاده از فاکتورهاي زيستفعال بروني يا ادغام سلولهاي کشت شده در کليه، عملکرد آن را بازسازي کنند.

aavani210_3.jpg

شکل ۳. محل قرار گیری سلولهای پیشرو در کلیه انسان


منابع سلولي
سلولهاي اوليه کليه: اين سلولها را ميتوان از کليه سالم يا بيمار دريافت کرد. سلولهاي توبول نزديک نقش مهمي در عملکرد فيزيولوژي کليه دارند. مشکل اصلي اين سلولها اين است که بيان ژنهاي اساسي را در پاساژ دادن از دست ميدهند بنابراين تنها بعد از دو تا پنج پاساژ قابل استفادهاند. در روش ديگر، تمامي سلولهاي آتولوگ کليه استفاده ميشوند. در اين جا، دو زير مجموعه سلولي داريم؛ يک، جمعيت غني از سلولهاي توبول و دو، جمعيتي از سلولهاي حساس به اکسيژن که EPO (جمعيت سلولي B4) توليد ميکنند. استفاده از سلولهاي شاخه صعودي و ضخيم لوله هنله و توبول دور نيز در درمان صدمات کليوي مؤثر است.
سلولهاي بنيادي پرتوان: سلولهاي بنيادي جنيني يک نوع از اين سلولها هستند که براي تمايز به سلولهاي توبول و سلولهاي پرتوان القايي نوع ديگر هستند که براي پودوسيت استفاده ميشوند. سلولهاي ديگر اين دسته يعني سلولهاي iPSC را ميتوان از مزانژيوم انساني، سلولهاي کليوي موجود در ادرار و فيبروبلاستهاي بيماران کليوي بهدست آورد.
سلولهاي بنيادي Fetal و Adult: کار با اين سلولها از نظر ايمني و اخلاقي مطمئنتر است. يک نوع ازسلولهاي بنيادي Fetal، سلولهايي هستند که از مايع آمنيوم مشتق ميشوند و توانايي تمايز بالايي دارند ولي تراتوما تشکيل نميدهند. در تحقيقي، سلولهاي به دست آمده از آمنيوم نوزاد پسر در هفته 12 تا 18 حاملگي که داراي Lac-Z است را به کليه جنيني تزريق کردند و  آن را در محيط برونتني کشت دادند و تواستند کليه جنيني را بهدست آورند. سلولهاي بنيادي Adult مانند سلولهاي بنيادي مغز استخوان، چربي، عصبي مغز، خوني، کبد و اپيتليال از رده سلولهاي ديگري هستند که ميتوانند در بازسازي کليه استفاده شوند.

aavani210_4.jpg

شکل ۴. سلولهای دیواره جسمک گلمرولی


زيست فعالها
فاکتورهاي رشد و سيتوکينها جز فاکتورهاي زيست فعال هستند که براي ترميم بافتهاي گوناگون استفاده ميشوند. براي ترميم آسيبهاي کليوي فاکتورهاي رشد مانند EGF براي سلولهاي توبول نزديک TGFα براي افزايش سنتز DNA بعد از مسموميت کليه، IGF1 براي افزايش تکثير بافت، HGF، FGF، مورد بررسي قرار گرفتند و اثرات مثبت آنها مشاهده شده است. 

دستاوردهاي مهندسي بافت و پزشکي ترميمي براي درمان بيماريهاي کليوي
باتوجه به مبهم بودن سرنوشت سلولهاي بنيادي در بدن، استفاده از اين سلولها به مراحل پيش باليني يا آزمونهاي باليني محدود ميشود. در مراحل باليني براي سلولدرماني از سلولهاي اوليه کليه استفاده ميشود. در چندين مطالعه استفاده از سلولهاي مزانشيمي، مغز استخوان بررسي شده است. تزريق بيروني اين سلولها باعث ترشح اگزوزوم هاي شامل microRNA ميشود که به روند ترميم در آسيبهاي حاد و مزمن سرعت ميبخشد.

aavani210_5.jpg

شکل۵. تأثیر فاکتورهای رشد در تمایز به سلولهای کلیه


استفاده از سلولهاي بنيادي چربي در جوندگان و مدلهاي حيواني بزرگ در فيبروز کليوي، بهبود مناسبي را پس از 3 ساعت از جراحي نشان داده است. همچنين اگر اين سلولها را در شرايط محيطي سلولهاي مشتقشده از اپيتليال توبول قرار دهيم به سلولهاي اپيتليال متمايز ميگردند. اثرهاي درماني مؤثر از سلولهاي بنيادي ديگر مانند iPSC و AFSC و سلولهاي پيشرو اندوتليال در مدل هاي گوناگون بيماريهاي کليوي نيز ديده شده است. از داربستهاي سه بعدي و هيدروژلهايي از جنس کلاژن) شبيه سازي غشاي پايه گلومرول (هيالورنيک اسيد و PGA هستند با استفاده از سلولهاي اوليه کليه مانند مزانژيوم و اپيتليال گلومرول، سلولهاي توبول دور و نزديک، سلولهاي مزانشيم و سلول بنيادي fetal و iPSC استفاده شده است و تشکيل ساختار مشابه گلومرولي و توبولي، شاخههاي Ureteric Bud و تشکيل مايع شبيه به ادرار در تمامي موارد مشاهده گرديده است.
اما در مرحله نهايي بيماري کليه، چندين ارگان تحت تأثير قرار ميگيرند. روشهاي جديد که جايگزين پيوند کليه هستند عبارتاند از استفاده از داربستي که سلولهاي اوليه آن برداشته شده و سلولهاي کليه دوباره روي آن قرار ميگيرند و چاپ 3 بعدي زيستي. در روش اول کليه انسان، خوک، ميمون و جوندگان مورد بررسي قرار گرفته است. مزيت اين روش اين است که شبکه عروقي و ماتريس خارج سلولي بافت را داريم که براي تمايز سلولها به سلول کليه و ايجاد بافت جديد مناسب است. ولي مشکل اين روش ايجاد ترمبوز در رگسازي مجدد و انتخاب منبع سلولي است. باتوجه به تکنولوژي تغيير ژنوم و iPSC ها بهنظر ميرسد اين سلول بهترين سلول براي ايجاد کليه جديد خواهند بود. مسير انتقال سلولها، چالش پيش روي ديگري است. با توجه به اين که بيوشيمي و بيوفيزيک در مسير تکثير، تمايز و بلوغ سلولها اثر ميگذارد بايد بيشتر مورد بررسي قرار گيرند. در مطالعات اخير از ميزراه و سرخرگ کليه براي انتقال سلولها به داربست استفاده کردهاند. بيوراکتورها نيز مسير مناسب براي انتقال سلولها هستند که ميتوان از تغذيه سلولها هم اطمينان کامل داشت. با اين حال اطلاعات کاملتري براي نشاندن سلولها بر روي داربست نياز است )چگالي سلول، مسير و روش کاشت سلول (تا چگالي مناسب سلول را در تمامي قسمتهاي داربست بدون سلول داشته باشيم.
تازهترين روش چاپ 4 بعدي زيستي است، در رابطه با ترميم کليه، به دليل دشوار بودن تقليد ساختار ECM، جمعيت گوناگون سلولها و سازماندهي فضايي با محدوديتهاي بسياري روبه رو هستيم. بنابراين داربستهاي کليه ايي آسلولارشده ميتوانند گزينه مناسبي باشند تا سلولهاي مختلف روي آنها چاپ شوند. به علاوه، امروزه کليه هاي چاپشده با استفاده از هيدروژلها و سلولهاي بنيادي در ابعاد مينياتوري وجود دارند و توانستهاند 50 درصد از سلولهاي چاپشده را تا 3 ماه زنده نگه دارند.

فهرست منابع:
[1] Amiel, G. E., Yoo, J. J. and Atala, A.: Renal tissue engineering using a collagen-based kidney matrix. Tissue Engineering suppl, 2000.
[2] Dekel, H. Marcus, B.H. Herzel, et al.In vivo modulation of the allogeneic immune response by human fetal kidneys: The role of cytokines, chemokines, and cytolytic effector molecules Transplantation, 69 (2000), pp. 1470-1478.
[3] M. Statter, K.J. Fahrner, E.M. Barksdale, et al.Correlation of fetal kidney and testis congenic graft survival with reduced major histocompatibility complex burden
[4] Transplantation, 47 (1989), pp. 651-660

جستجو بر اساس موضوع:
لیست مقالات
محتويات پرونده پزشکي // مقالات علمی و فنی
دارورساني هدفمند از ايمپلنت بافت سخت با پوشش دولايه نانو لوله هاي اکسيد تيتانيوم و نانوريسمان هاي پليمري متخلخل // مقالات علمی و فنی
جستجو بر اساس موضوع: