ساخت استخوانی با رهیافت مهندسی زیستی ‌برای پیوند مغز استخوان

عمل پیوند مغز استخوان یکی از ناخوشایندترین فرایندهای پزشکی است. بخش اعظم این ناخوشایندی به این دلیل است که ما باید قبل از وارد کردن مغز استخوان جدید، سلول‌های قبلی را از بین ببریم. یک گروه تحقیقاتی در دانشکده‌ی مهندسی دانشگاه سن‌دیگوی کالیفرنیا به رهبری شاینی وارگس در حال بررسی و تکمیل روش‌های تولید نوعی استخوان مصنوعی هستند که بتواند پیوند مغز استخوان را راحت‌تر کند و از عوارض جانبی آن بکاهد.

ممکن است فکر کنید که اسکلت ما تنها داربستی است که اندام ما را سرپا نگاه می‌دارد؛ اما کارایی آن بسیار بیش از این است. استخوان‌های بلندتر بدن ما توخالی هستند و درونشان بافتی ژل‌مانند به نام مغز استخوان قرار دارد. این مغز استخوان روزانه تا ۵۰۰ میلیارد سلول قرمز خونی را طی فرآیندی به نام هماتوپوسیس (hematopoiesis) می‌سازد و همچنین مسئول تولید لنفوسیت‌ها است که نقش بسیار مهمی را در سیستم ایمنی بدن ایفا می‌کنند. در تصویر زیر استخوان‌های بلند بدن با رنگ قرمز از بقیه‌ی سیستم اسکلتی متمایز شده‌اند:

بنابراین در صورت بروز اختلال در مغز استخوان، برای مثال در نتیجه‌ی بیماری؛ عوارضی مانند کم‌خونی مزمن یا نقص سیستم ایمنی رخ خواهند داد. گاهی این اختلالات در مغز استخوان دلایل طبیعی مانند سرطان، عفونت، نقص مادرزادی یا بیماری خود ایمنی دارند ولی عوامل غیرطبیعی مانند تشعشات رادیواکتیو و شیمی‌درمانی نیز می‌توانند باعث بروز عارضه در این بافت شوند.

درهرحال، بعد از بروز عارضه، موثرترین راه درمان آن پیوند مغز استخوان یا به عبارت دقیق‌تر پیوند هماتوپوتیک سلول‌های بنیادی است. برای این کار دو راه وجود دارد: پیدا کردن یک اهداکننده‌ی مناسب که بافت مطابق با بیمار را داشته باشد یا جمع‌آوری مغز استخوان سالم افراد قبل از بیماری، نگهداری آن و سپس پیوند دوباره‌ی آن در صورت بروز بیماری در آن‌ها.

اما هنوز مشکل اصلی یعنی فرایند دردناک کشتن سلول‌های مغز استخوان معیوب در بیمار با استفاده از پرتو یا شیمی‌درمانی پابرجاست. این فرآیند به‌دلیل کسب اطمینان از عدم رقابت سلول‌های قدیمی با سلول‌های جدید پیوندی ضروری است. شوربختانه این فرآیند فشار بسیاری به بدن وارد می‌کند و عوارض جانبی ناگواری را مانند ناباروری و خستگی مزمن درپی دارد.

برای اجتناب از این فرایند دردناک، گروه تحقیقاتی دانشگاه سن‌دیگو در نظر دارد تا با پیوند سلول‌های مغز استخوان جدید به بیمار از طریق استخوان‌های مهندسی زیستی‌شده، نیاز به از بین بردن سلول‌های میزبان را حذف کند. این راه‌کار ممکن است ناکارآمد جلوه کند ولی باید در نظر داشت که ازبین بردن سلول‌های قدیمی تنها زمانی نیاز است که این سلول‌ها بدخیم باشند (مانند موارد مبتلا به سرطان خون). اما زمانی که سلول‌های قدیمی فقط به درستی کار نمی‌کنند (بدخیم نیستند)، مانند کم‌خونی آپلاستیک یا نقص‌های خوش‌خیم ناشی از شیمی درمانی و پرتودرمانی آنگاه می‌توان از این فرایند صرف‌نظر کرد. در این هنگام سوال این است که چگونه بدون حذف سلول‌های قدیمی برای سلول‌های جدید جا باز کنیم.

گروه تحقیقاتی در راستای پاسخی مناسب به این مسئله، یک استخوان مهندسی زیستی‌شده ساختند که می‌توان آن را درون بدن کار گذاشت (ایمپلنت). این استخوان می‌تواند پذیرای سلول‌های مغز استخوان اهدایی باشد و دیگر نیازی نیست که آن‌ها را به استخوان‌های خود بیمار تزریق کرد. این استخوان جدید درواقع حلقه‌هایی از هیدروژل متخلل است که بخش بیرونی آن‌ها حاوی ماده‌ی معدنی کلسیم فسفات اند. هنگامی که سلول‌های بنیادی به این داربست تزریق می‌شوند پس از مدتی بخش خارجی تبدیل به بافت استخوانی سخت خواهد شد. همزمان سلول‌های بنیادی اهداشده در مرکز این داربست که فاقد مواد معدنی است نگهداری می‌شوند و پس از مدتی به بافت استخوانی سالم و سلول‌های خون‌ساز تبدیل می‌شوند.

برای آزمایش کارایی این روش محققان این ایمپلنت‌ها را درون بدن موش‌های آزمایشگاهی قرار دادند. نیمی از این ایمپلنت‌ها در مرکز خود سلول‌های مغز استخوان اهدایی داشتند و نیمی دیگر توخالی بودند. طی ۴ هفته، ایمپلنت‌ها ساختار استخوان کامل، شامل رگ‌های خونی و مغز استخوان فعال را به‌ خود گرفتند. به‌علاوه پس از گذشت ۶ ماه، ایمپلنت‌ها و خون‌ ساخته شده در مغز استخوان آن‌ها مخلوطی از سلول‌های میزبان و اهداکننده بودند. این آزمایش نشان داد که سلول‌های میزبان و میهمان می‌توانند برای مدت‌ طولانی در کنار هم فعال باشند و همچنین سلول‌های پیوندی می‌توانند در جریان خون موش‌های بدون مغز استخوان درگردش باشند زیرا ایمپلنت مانند یک استخوان طبیعی رفتار می‌کند. وارگس در اهمیت کار خود در حوزه‌ی دانش سلول‌های بنیادی نیز بیان می‌کند:

ما قصد داریم از این سازوکار به‌عنوان چهارچوبی برای تبدیل سلول‌های بنیادی به مغز استخوان استفاده کنیم که کاربرد فراوانی در پیوندهای سلولی کلینیکی دارد.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی علمی PNAS منتشر شده است.