تسريع تكوين العظام بالاستلهام من الطبيعة

تُظهر نتائج جهود باحثين إيرانيين في مجال الطب التجديدي أن الدعامات الهندسية التي تحاكي في آنٍ واحد بنية خلايا العظام والخواص الكهروضغطية للعظم، قادرة على توجيه الخلايا الجذعية نحو تكوين النسيج العظمي بمحفزات فيزيائية وحدها، وتسريع عملية تكوين العظام.

سفير مجموعة أرجان الاجتماعية: فاطمة بولادزاده، طالبة دكتوراه في هذه الجامعة، بتوجيه من الدكتور علي أصغر كاتب وشاداب باقري، أحد أعضاء هيئة التدريس في الجامعة، وبالتعاون مع شاهين بانكدار، عضو هيئة التدريس في معهد باستور الإيراني، مشروع بحثي بعنوان "تصميم وبناء ركيزة منقوشة تحتوي على السلوك الكهروضغطي مع القدرة على تمييز الخلايا الجذعية إلى خلايا عظمية بناءً على الأداء". PVDF/PDMS/BaTiO3".

وفي إشارة إلى الأبحاث التي أجريت في مجال هندسة الأنسجة العظمية والطب التجديدي، قال بولادزاده: أصبح هذا المجال أحد أهم مجالات البحث في العالم في السنوات الأخيرة، لأنه مع زيادة إصابات العظام الناجمة عن الحوادث والأمراض والشيخوخة، أصبحت الحاجة إلى طرق جديدة لإصلاح وتجديد أنسجة العظام أكثر مما كانت عليه في الماضي.

وأشار إلى الاهتمام الخاص الذي أولاه الباحثون لاستخدام الخلايا الجذعية لعلاج وتجديد الأنسجة التالفة في السنوات الأخيرة، وقال: ومع ذلك، فإن التوجيه الفعال لهذه الخلايا نحو تكوين الأنسجة العظمية لا يزال أحد التحديات الرئيسية في هذا المجال. لذلك كان الهدف من هذا البحث هو تصميم منصة ذكية مستوحاة من الخصائص البيولوجية للأنسجة العظمية لتوجيه الخلايا الجذعية إلى تكوين الأنسجة العظمية دون استخدام العوامل الكيميائية وفقط من خلال محاكاة الخصائص الفيزيائية للأنسجة العظمية الطبيعية.

وتابع هذا الطالب من جامعة أميركبير للتكنولوجيا: ولتحقيق هذا الهدف، تم إعادة بناء سمتين مهمتين من أنسجة العظام في وقت واحد؛ أولاً، البنية والنمط المحدد للخلايا المكونة للعظام، وثانيًا، الخاصية الكهرضغطية الطبيعية للعظم، والتي يتم إنشاؤها استجابة للقوى الميكانيكية في الجسم. وكان من المتوقع أن يؤدي الجمع بين هذين العاملين إلى خلق بيئة أقرب إلى الظروف الطبيعية للجسم وتسريع عملية تكوين العظام.

قال هذا الباحث عن نتائج هذا المشروع البحثي: أظهرت النتائج أن الركائز المصممة كانت قادرة على تسريع عملية تمايز العظام للخلايا الجذعية بشكل فعال دون استخدام العوامل الكيميائية وفقط باستخدام المحفزات الفيزيائية. تتمتع الخلايا الجذعية المزروعة على هذه الركائز بنمو وبقاء مناسبين وتحولت إلى خلايا عظمية بمعدل أسرع.

وأكد هذا الباحث من جامعة أميركبير للتكنولوجيا: أظهرت الدراسات الخلوية والجزيئية أن العلامات الرئيسية لتكوين العظام تم تنشيطها في فترة زمنية قصيرة، ولم يتم ملاحظة العلامات الأولية لتكوين الأنسجة العظمية إلا بعد سبعة أيام. وتشير هذه النتائج إلى القدرة العالية للركائز المصممة في خلق بيئة مشابهة للأنسجة العظمية الطبيعية وتسريع عملية تكوين العظام.

مشيرًا إلى أن أهمية هذا الإنجاز تكمن في الاستخدام المتزامن لاثنين من العوامل الفيزيائية الرئيسية، قال بولادزاده: في هذا النظام، ولأول مرة، تم استخدام التأثير التآزري للتضاريس المحددة للخلايا العظمية والخصائص الكهرضغطية لتوجيه الخلايا الجذعية. يمكن لهذه التكنولوجيا أن تضع الأساس لتطوير علاجات أكثر أمانًا وأقل تكلفة وأقرب إلى الظروف الطبيعية للجسم في مجال الطب التجديدي.

وذكر أن هذا البحث بدأ باستخراج الخلايا العظمية أو الخلايا العظمية من الأنسجة العظمية الطبيعية، وذكر أنه: بعد فصل الخلايا، تم تصميم هيكل سطحها بطريقة قولبة الخلية بحيث يمكن إعادة بناء تضاريس الغشاء البلازمي للخلايا المكونة للعظم بدقة على الركائز الهندسية.

وتابع بولادزاده: تم إجراء البحث على مرحلتين منفصلتين. في المرحلة الأولى، تم دراسة أداء ركائز بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) التي تحتوي على جسيمات نانوية من تيتانات الباريوم (BaTiO3) في المختبر، وفي المرحلة الثانية، تم تقييم ركائز PDMS التي تحتوي على ألياف نانوية من فلوريد البولي فينيلدين المغزول كهربائيًا (PVDF) وألياف نانوية PVDF/BaTiO3. وكان الغرض من تصميم هذا النظام هو إعادة بناء خصائص تضاريس السطح والسلوك الكهروميكانيكي للأنسجة العظمية الطبيعية في نفس الوقت.

وقال: بعد صنع الركائز، تم فحص فعاليتها في تحفيز تمايز الخلايا الجذعية في العظام. في هذه المرحلة، تم زراعة الخلايا الجذعية المستخرجة من الأنسجة الدهنية على ركائز ومن خلال تطبيق سلالات ميكانيكية في النطاق الفسيولوجي، تم قياس معدل النمو والحيوية والتمايز العظمي للخلايا من خلال الاختبارات البيولوجية وباستخدام التقييمات الكمية والنوعية.

وصف بولادزاده التشتت الموحد لجسيمات تيتانات الباريوم النانوية في ركيزة PDMS بالإضافة إلى التوزيع المناسب لألياف PVDF النانوية في هذا النظام كأهم تحديات المشروع وأضاف: استخراج الخلايا البشرية من الأنسجة الطبيعية، والتنسيق مع المراكز الطبية، وزراعة الخلايا على المدى الطويل والسيطرة على التلوث المحتمل كانت أيضًا أجزاء حساسة وتستغرق وقتًا طويلاً في هذا البحث.

وأوضح عن تطبيقات نتائج هذا المشروع البحثي: يمكن الاستفادة من إنجازات هذا البحث في مجال هندسة الأنسجة العظمية والطب التجديدي والعلاج بالخلايا وتطوير المواد الحيوية الذكية. ويمكن استخدام هذه التقنية في المستقبل لإنتاج الخلايا العظمية اللازمة لعلاج الكسور المعقدة وعيوب العظام والإصابات الناجمة عن الأمراض.

وأشار بولادزاده إلى أنه يمكن استخدام هذا الإنجاز أيضًا في تصميم سقالات هندسة الأنسجة المتقدمة والغرسات النشطة بيولوجيًا وإنتاج المنتجات القائمة على المعرفة المتعلقة بالطب التجديدي.

وعن نشر نتائج هذا البحث قال: لقد تم نشر جزء من نتائج هذا المشروع المخصص لتصميم وتقييم الركائز المقولبة المحتوية على جزيئات نانوية من تيتانات الباريوم، على شكل مقال علمي في مجلة كيمياء المواد ب.

اعتبر هذا الطالب من جامعة أميركبير للتكنولوجيا أن الابتكار الرئيسي لهذه المقالة هو الاستخدام المتزامن لعاملين فيزيائيين مهمين بما في ذلك التضاريس المحددة لخلايا العظام والخصائص الكهرضغطية في نظام واحد، وأشار إلى: أظهرت النتائج أن التأثير التآزري لهذين العاملين يمكن أن يخلق ظروفًا قريبة من بيئة العظام الطبيعية دون الحاجة إلى عوامل كيميائية وتسريع عملية تكوين العظام. أما الجزء الثاني من هذا البحث والذي يعتمد على استخدام ألياف النانو PVDF المحتوية على تيتانات الباريوم، فيجري إعداده للنشر في المجلات العلمية.

وذكر أن الخطوة التالية من هذا البحث هي إجراء دراسات على الجسم الحي واختبارات على الحيوانات، وقال: في هذه المرحلة، يمكن وضع الخلايا المتمايزة على سقالات قابلة للتحلل وزرعها في موقع تلف العظام أو حقنها مباشرة في موقع التلف بحيث يمكن تقييم كمية تجديد الأنسجة في ظروف الجسم الحقيقية. إن تنفيذ هذه الخطوة يمكن أن يمهد الطريق لدخول التكنولوجيا في التطبيقات العلاجية والصناعية.

وأوضح بولادزاده أنه تم استخدام مواد كهرضغطية ذكية في هذا البحث إلى جانب تقنية قولبة الخلايا لخلق بيئة قريبة من الظروف الفعلية للجسم، وتابع: على عكس العديد من الطرق الشائعة، لا تعتمد هذه الطريقة على عوامل كيميائية للحث على تمايز الخلايا وتستخدم محفزات فيزيائية مستوحاة من الطبيعة.

وذكر أن الميزة التنافسية الأهم لهذه التقنية هي توجيه الخلايا الجذعية نحو تكوين العظام دون الحاجة إلى عوامل كيميائية، وأشار: بالإضافة إلى تقليل التكاليف، يمكن لهذه الميزة أن تزيد من سلامة واستقرار عملية إنتاج الخلايا العلاجية. الركائز المصممة قابلة لإعادة الاستخدام ويمكن استخدامها لفترة طويلة في عمليات زراعة الخلايا. من خلال تقليل الحاجة إلى ممرات الخلايا طويلة المدى، تمنع هذه الطريقة تغيير النمط الظاهري وفقدان جودة الخلايا، ونتيجة لذلك، ستكون الخلايا المنتجة أكثر ملاءمة للتطبيقات العلاجية.

ووفقا لهذا الباحث، يمكن استخدام هذا الإنجاز في تطوير طرق جديدة للعلاج بالخلايا، وإنتاج خلايا عظمية لإصلاح آفات العظام، وبناء ركائز هندسة الأنسجة الذكية، وتطوير الغرسات النشطة بيولوجيا، وتطوير تقنيات الطب التجديدي.