هندسة الأنسجة

هو مجال علمي يركز على تطوير بدائل بيولوجية قادرة على أن تحل محل الأنسجة المريضة أو المدمرة في الإنسان. أول مرة ظهر فيها مصطلح هندسة الأنسجة هو في فترة الثمانينيات. بحلول أوائل التسعينيات ، أدى مفهوم تطبيق الهندسة على إصلاح الأنسجة البيولوجية إلى النمو السريع لهندسة الأنسجة كمجال متعدد التخصصات مع إمكانية إحداث ثورة في مجال الطب.

تقوم هندسة الأنسجة على دمج المكونات البيولوجية كالخلية و عوامل النمو مع المبادئ الهندسية و المواد الصناعية، يمكن إنتاج الأنسجة البديلة عن طريق زرع الخلايا البشرية أولاً على سقالات ، والتي قد تكون مصنوعة من الكولاجين أو من بوليمر قابل للتحلل ثم يتم تحضين السقالات في وسط يحتوي على عوامل النمو التي تحفز الخلايا على النمو والانقسام. عندما تنتشر الخلايا عبر السقالة ، يتشكل النسيج البديل. يمكن زرع هذا النسيج في جسم الإنسان ، مع امتصاص السقالة المزروعة أو إذابتها في النهاية.

تتضمن أمثلة الأنسجة المرشحة لهندسة الأنسجة الجلد والغضاريف والقلب والعظام. لعب إنتاج بدائل الجلد دورًا مهمًا في تحسين نجاح جراحات ترقيع الجلد ، خاصة للجروح المعقدة مثل الحروق.  تم أيضًا هندسة الأنسجة البديلة في الجهاز الكلوي ، بما في ذلك المثانة البولية والإحليل ، وزرعها بنجاح ، وبالتالي توسيع الفرص العلاجية لاضطرابات الكلى المعقدة. يجري فحص السقالات والأنسجة الاصطناعية الحيوية لاستخدامها في تطوير الأطراف الاصطناعية الحيوية ؛ تم الإبلاغ عن أول طرف من هذا القبيل يتم تطويره بنجاح - ساق فأر مع عضلات وأوردة عاملة - في عام 2015. 

سوق هندسة الأنسجة

تم تقدير قيمة السوق العالمية لهندسة الأنسجة في عام 2016 بقيمة 5 مليار دولار ويتوقع وصولها إلى ما يقارب 11.5مليار دولا بحلول العام 2022 وفقاً لإحصائية جديدة من شركة Grand View Research, Inc

بلغت قيمة السوق حسب التصنيف السريري كالتالي: 

• 152$ مليون للبولية
• 900$ مليون دولار للجلدية
• 578$ مليون دولار للأسنان
• 8$ مليون دولار لنقل الأعضاء 
• 831$ مليون دولار للسرطان
• 651$ مليون دولار للقلبية و الوعائية
• 306$ مليون دولار للعصبية
• 6220$ مليون دولار للعمود الفقري و العظام

المواد الحيوية

تشكل المواد الحيوية جزءًا لا يتجزأ من هندسة الأنسجة. تم العثور على العديد من المواد لاستخدامها في هندسة الأنسجة. تستخدم المواد الحيوية إما لأغراض علاجية أو تشخيصية. المواد الحيوية والمواد البيولوجية مفهومان مختلفان. يقال إن المادة الحيوية هي مادة مثالية تفي بالمتطلبات التالية:

1. القابلية للحقن
   
2. تصنيع اصطناعي
   
3. التوافق الحيوي
   
4. غير المناعية
   
5. الشفافية
   
6. ألياف نانوية
7. تركيز منخفض
8. معدلات الارتشاف

السقالات - السقالات هي مواد مصممة لتكوين أنسجة وظيفية جديدة وتستخدم للأغراض الطبية. تعيد السقالات إنشاء البيئة داخل الجسم التي توفرها المصفوفة خارج الخلية. اعتمادًا على أصلها ، يتم تصنيف السقالات إلى نوعين. تشارك السقالات الطبيعية في عملية التشكل واكتساب الوظائف لأنواع مختلفة من الخلايا في البيئة داخل الجسم الحي. يعتمد تكوين هذه السقالات على أصل حيواني وإجراءات العزل والتنقية والفحوصات. تصنع السقالات الاصطناعية لتقليد خصائص ECM (المصفوفة الخلوية الإضافية) في ظل ظروف خاضعة للرقابة.

تشمل استخدامات السقالات:

• ارتباط الخلية والهجرة
• احتباس الخلايا والعوامل البيوكيميائية
• بدل لنشر منتجات الخلايا الحيوية والمنتجات المعبر عنها
• تعديل سلوك الطور الخلوي بممارسة التأثيرات البيولوجية والميكانيكية.

تحتاج السقالات إلى تلبية متطلبات محددة لهندسة الأنسجة. هم انهم:

• حجم مسام مناسب مع مسامية عالية لتسهيل نثر الخلايا وانتشارها في الهيكل بأكمله.
• التحلل البيولوجي هو أحد العوامل. يجب أن توفر السقالة السلامة الهيكلية بينما تقوم الخلايا بتصنيع بنية المصفوفة الطبيعية حول نفسها. يجب أن يتحلل بمجرد أن تتشكل الأنسجة الجديدة. يجب أن يتزامن التدهور مع معدل تكوين الأنسجة.

الأنواع الثلاثة من المواد الحيوية المستخدمة في تصنيع السقالات هي:

1. السيراميك - لديه توافق حيوي ممتاز بسبب تشابهه الكيميائي والهيكلي. إنها تشكل صلابة ميكانيكية عالية ومرونة منخفضة للغاية. تتضمن الأمثلة - هيدروكسيباتيت (HA) وثلاثي فوسفات الكالسيوم (TCP) ، لتطبيقات تجديد العظام.
2. البوليمرات الاصطناعية - تظهر خصائص تحلل محكومة ويسهل تصنيعها بهندسة معمارية مصممة خصيصًا. ومن الأمثلة على ذلك - البوليسترين ، وحمض بولي لاكتيك (PLLA) ، وحمض بولي جليكوليك (PGA) ، وحمض بولي-دل-لاكتيك-كو-جليكوليك (PLGA).
3. البوليمرات الطبيعية - وهي نشطة بيولوجيًا وتسمح للخلايا المضيفة بإنتاج المصفوفة خارج الخلية الخاصة بها واستبدال السقالة المتدهورة.

الخلايا

اختيار مصدر الخلية مهم لهندسة الأنسجة. ولكن هناك صعوبة تكمن في زراعة أنواع معينة من الخلايا بكميات كبيرة. لذلك ، ظهرت الخلايا الجذعية (الخلايا الجذعية الجنينية أو البالغة) كمصادر بديلة للخلايا. خلايا ESC (خلية جذعية جنينية) هي خلايا متعددة القدرات بينما خلايا ASC هي خلايا متعددة القدرات. تعد ASC(الخلايا الجذعية المشتقة من الدهون) أكثر ملاءمة لهندسة الأنسجة نظرًا لأن لديها قدرة محدودة على التمايز عن ESCs.الجزيئات الحيوية - جزيئات الإشارات لا تقل أهمية عن السقالات ومصدر الخلية. هذه الإشارات فريدة لكل عضو ويتم التحكم فيها بإحكام. يلعب وجود عوامل مثل عوامل النمو والكيموكينات والسيتوكينات دورًا مهمًا في الظواهر البيولوجية. يمكن أن يكون استخدام جزيئات الإشارة بطريقتين - بالإضافة إلى وسائط الثقافة في المختبر أو التعلق بالسقالة عن طريق التفاعلات التساهمية وغير التساهمية.

تطبيق هندسة الأنسجة

كيف تعمل هندسة الأنسجة والأدوية التجديدية؟

الأدوية التجديدية تعمل على إصلاح الأنسجة والأعضاء التالفة. إنها تحفز آليات الإصلاح الخاصة بالجسم لشفاء الأنسجة أو الأعضاء التي كان يتعذر إصلاحها من قبل. إذا لم يتمكن الجسم من شفاء نفسه ، يمكن زراعة الأنسجة أو الأعضاء في المختبر ثم زرعها. يشمل الطب التجديدي أيضًا استخدام الخلايا الجذعية أو الخلايا السلفية التي يتم الحصول عليها من خلال التمايز الموجه.
تبدأ العملية بإنشاء السقالات وإدخال الخلايا فيها. يتطور النسيج بمجرد حصوله على البيئة المناسبة. في بعض الحالات ، يحدث التجميع الذاتي والذي يتضمن خلط جميع الخلايا والسقالات وعوامل النمو معًا.
يمكن أن يكون النهج الآخر عن طريق تجريد خلايا العضو المتبرع واستخدام سقالة الكولاجين المتبقية لتنمية أنسجة جديدة. كان هذا النهج نهجًا واعدًا للهندسة الحيوية في أنسجة القلب والكبد والرئة والكلى.

تشمل بعض مجالات البحث الرئيسية:

• زرع كبد بشري في الفئران: يمكن أن يؤدي زرع الكبد البشري المهندَس في الفئران إلى تفاعلات دوائية مشابهة لتلك التي تحدث في النظام البشري. يمكن للباحثين فهم اختبار السمية والاستجابات الخاصة بالأنواع بسهولة.

• تجديد كلية جديدة: تم تطوير سقالات الكلى المزروعة بالخلايا الظهارية والبطانية في أنسجة العضو. أنتجت الأنسجة البول في المختبر وداخل الجسم الحي في الفئران. تعد القدرة على تجديد كلية جديدة قفزة إلى الأمام في التغلب على مشاكل نقص أعضاء المتبرعين.

كيف تساعد هندسة الأنسجة في تجديد الأنسجة التالفة؟

كانت تطبيقات هندسة الأنسجة مفيدة في التغلب على مشاكل أي أنسجة تالفة.

هندسة أنسجة العظام - تتكون العظام من الكولاجين ولها خاصية التجديد والإصلاح استجابة للإصابة. تحدث متطلبات التطعيم العظمي أثناء عيوب العظام الكبيرة التي تحدث بعد الصدمة أو العدوى أو استئصال الورم أو تشوهات الهيكل العظمي.

يعد إنتاج ميزات العظام في المختبر أمرًا صعبًا للغاية. لذلك من الصعب أيضًا الحصول على سقالة مثالية لتجديد أنسجة العظام. تمكن العلماء من تطوير سقالات مسامية ثلاثية الأبعاد بتكوين مماثل للعظام ، ولتحقيق توافق أفضل ، يتم استخدام سقالات من السيراميك الحيوي. تستفيد السقالات المستحثة للعظام من الإشارات الجزيئية الحيوية والخلايا السلفية لتكوين عظام جديدة. في نماذج عيوب العظام ، أظهرت الجسيمات النانوية المصممة لإطلاق العوامل المكونة للعظم زيادة في التمايز العظمي في المختبر وداخل الجسم الحي.

هندسة الأنسجة الغضروفية- الغضروف هو نسيج ضام يوجد في المرفقين والركبتين والكاحلين. مثل هندسة أنسجة العظام ، تكمن التحديات أيضًا في هندسة أنسجة الغضاريف. تم استخدام العديد من السقالات لإصلاح الغضروف ، ولكن الأكثر صلة هو السقالات الاصطناعية مثل البولي يوريثين والبولي (إيثيلين جلايكول) (PEG) والبوليمرات القائمة على الإيلاستين. يتكون الغضروف من الخلايا الغضروفية ، لذا فإن النوع المثالي من الخلايا المانحة لإصلاح الغضروف هو الخلايا الغضروفية الذاتية. ومع ذلك ، يصعب الحصول عليها وتتطلب تقنيات غازية. لذلك ، تم استخدام خلايا السلائف الوسيطة (MSCs) التي تم جمعها من مصادر مختلفة ، مثل الأنسجة الدهنية أو نخاع العظام كمصدر بديل. يمكن تربيتها بسهولة في المختبر ولديها القدرة على التكاثر والتمايز نحو السلالات المكونة للعظم والشحم والغضروف والعضل.

بصرف النظر عن هندسة أنسجة العظام والغضاريف ، تم أيضًا إجراء بعض TE مثل هندسة أنسجة القلب وهندسة أنسجة البنكرياس وهندسة الأنسجة الوعائية.

النماذج البشرية في المختبر لهندسة الأنسجة

يعد إنشاء نماذج بشرية في المختبر لهندسة الأنسجة تطبيقًا آخر لتحليل دور العوامل الكيميائية و / أو الميكانيكية و / أو الفيزيائية المختلفة في نظام بسيط.

السرطان- لإعادة إنشاء عملية تطور الورم ، يلزم وضع نمذجة دقيقة للبيئة الدقيقة للورم. هذا ممكن من خلال الثقافات ثلاثية الأبعاد التي يمكن أن توفر الظروف البيئية الدقيقة التي تتحكم في تكوين الأورام. تعتمد الثقافات ثلاثية الأبعاد على الجمع بين الخلايا والسقالات والجزيئات الحيوية. تم استخدام كل من المواد الحيوية الطبيعية والاصطناعية لنمذجة السرطان.

اكتشاف الأدوية- لفحص الأدوية الفعال ، يتم تقديم ثقافات ثلاثية الأبعاد لتحليل تأثير تأثير الدواء. استعادت خلايا الكبد مورفولوجيتها وتعبيرها عن بروتينات الكبد الرئيسية عند زراعتها في ثقافة ثلاثية الأبعاد.

حتى لو كانت هندسة الأنسجة منقذة للحياة ، فهي مكلفة. تواجه الطعوم الخيفية وعمليات الزرع مخاطر أن يتم رفضها من قبل نظام المريض. مزيد من البحث لا يزال يتعين القيام به. ومع ذلك ، فقد أدى التقدم في مجالات العظام والغضاريف والقلب والبنكرياس والأوعية الدموية إلى الارتقاء بهندسة الأنسجة إلى مستوى جديد. تعمل هندسة الأنسجة على تغيير علم الأحياء والتكنولوجيا من خلال إحداث تأثير عميق على تطوير علاجات جديدة.

المجالات المستقبلية لهندسة الأنسجة

في الوقت الحاضر، تلعب هندسة الأنسجة دورًا صغيرًا نسبيًا في علاج المرضى. الجلد الصناعي والصمامات والغضاريف هي أمثلة على الأنسجة المهندسة التي تمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء. ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، لديهم استخدام محدود في البشر.

تم زرع المثانة التكميلية والشرايين الصغيرة وترقيع الجلد والغضاريف وحتى القصبة الهوائية الكاملة في المرضى ، لكن الإجراءات لا تزال تجريبية ومكلفة للغاية. في حين أن الأنسجة العضوية الأكثر تعقيدًا مثل القلب والرئة وأنسجة الكبد تم إعادة إنتاجها بنجاح في المختبر ، إلا أنها لا تزال بعيدة جدًا عن كونها قابلة للتكاثر بشكل كامل وجاهزة للزرع في المريض.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون هذه الأنسجة مفيدة للغاية في البحث ، وخاصة في تطوير الأدوية. يمكن أن يؤدي استخدام الأنسجة البشرية للمساعدة في فحص الأدوية المرشحة إلى تسريع عملية التطوير وتوفير الأدوات الرئيسية لتسهيل الطب الشخصي مع توفير المال وتقليل عدد الحيوانات المستخدمة في البحث.

المصادر:

https://www.britannica.com/science/tissue-engineering

https://www.stoodnt.com/blog/tissue-engineering-applications-scopes/