به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، پژوهشگران دانشگاه مهندسی کلمبیا چارچوبی برای طراحی هیدروژل‌های بیواکتیو تزریقی ساخته شده با وزیکول‌های خارج‌سلولی (EVs) برای کاربردهای مهندسی بافت و پزشکی بازساختی ایجاد کرده‌اند. در مقاله‌ای که در مجله Matter منتشر شده، سانتیاگو کورئا، استادیار مهندسی زیست‌پزشکی در کلمبیا، و همکارانش یک پلتفرم هیدروژل تزریقی ارائه داده‌اند که از وزیکول‌های خارج‌سلولی شیر برای رفع موانع قدیمی توسعه بیومتریال‌ها در پزشکی بازساختی استفاده می‌کند.

استفاده از پتانسیل درمانی وزیکول‌های خارج‌سلولی

 استفاده از پتانسیل درمانی وزیکول‌های خارج‌سلولی (EVs) حوزه‌ای رو به رشد در تحقیقات زیست‌مواد است. اگرچه EVها به عنوان میانجی‌های قوی در ارتباطات بین‌سلولی شناخته می‌شوند، ادغام آن‌ها در مواد مهندسی شده با چالش‌هایی مانند مشکلات مقیاس‌پذیری، آزادسازی زودرس و پیچیدگی فرموله کردن همراه بوده است. برای رفع این موانع، ما از EVهای مشتق شده از سرم ماست (yogurt whey) — که جایگزینی فراوان و کم‌هزینه برای منابع کشت سلولی است — استفاده کردیم تا امکان بررسی با حجم بالا از رفتار ژل‌زایی فراهم شود. این رویکرد به ما اجازه داد تا ویژگی‌های پلیمرها، از جمله طول زنجیره آلکیل و درجه اصلاح هیدروفوبیک، که برای تشکیل هیدروژل واسطه‌شده توسط EV لازم است، را به صورت سیستماتیک تعریف کنیم. همچنین دریافتیم که EVها نه تنها به عنوان یک اتصال‌دهنده فوق‌مولکولی (crosslinker) عمل می‌کنند، بلکه در برخی شرایط به عنوان یک عامل فشرده‌ساز (crowding agent) که ساختار شبکه را تقویت می‌کند نیز ایفای نقش می‌نمایند. این چارچوب قابل تنظیم با وزیکول‌های منبع میکروبی و پستانداران سازگار است. فراتر از کاربرد به عنوان یک سیستم مدل قابل مقیاس، EVهای مشتق از ماست فعالیت زیستی ذاتی در بدن از خود نشان دادند. هیدروژل‌های تشکیل شده با این وزیکول‌ها زیست‌سازگار بودند، در مدت ۱ هفته آنژیوژنز خودبخودی را تحریک کردند و جمعیتی ایمنی متمایز شامل سلول‌های میلوئید و سلول‌های T تنظیم‌کننده (regulatory T cells) را جذب نمودند — ویژگی‌هایی که در کنترل‌های لیپوزومی مصنوعی دیده نشدند. این نتایج پتانسیل وزیکول‌های کشاورزی را هم به عنوان یک ابزار تحقیقاتی و هم به عنوان یک جزء عملکردی در زیست‌مواد بازسازی‌کننده برجسته می‌کند. به طور کلی، این کار چارچوبی طراحی شده را برای پژوهشگران هر دو حوزه EV و زیست‌مواد ارائه می‌دهد که اصول فرموله‌سازی روشن برای توسعه مواد مبتنی بر EV پایدار، قابل مقیاس و زیست‌فعال را حمایت می‌کند.

وزیکول‌های خارج‌سلولی

وزیکول‌های خارج‌سلولی ذراتی هستند که به طور طبیعی توسط سلول‌ها ترشح می‌شوند و حامل صدها سیگنال بیولوژیکی مانند پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی‌اند، که امکان ارتباط پیچیده سلولی را فراهم می‌کنند و مواد مصنوعی به سادگی نمی‌توانند این کار را انجام دهند. در این مطالعه، کورئا و همکارانش یک سیستم هیدروژل طراحی کردند که در آن وزیکول‌های خارج‌سلولی نقش دوگانه دارند: آن‌ها به عنوان محموله بیواکتیو عمل می‌کنند و همچنین به عنوان اجزای ساختاری ضروری، با پیوند متقابل پلیمرهای زیست‌سازگار، یک ماده تزریقی را تشکیل می‌دهند.

تولید بیومتریال‌های مبتنی بر EV

با استفاده از رویکردی نامتعارف که وزیکول‌های خارج‌سلولی شیر گرفته شده از ماست را به کار گرفت، تیم موفق شد محدودیت‌های بازدهی که توسعه بیومتریال‌های مبتنی بر EV را محدود می‌کند، از بین ببرد. وزیکول‌های ماستی باعث شدند هیدروژل هم خواص مکانیکی بافت زنده را تقلید کند و هم به طور فعال با سلول‌های اطراف تعامل داشته باشد، که منجر به بهبود و بازسازی بافت بدون نیاز به افزودنی‌های شیمیایی اضافی شد. کورئا که این پروژه را همراه با آرتمیس مارگارونیس، دانشجوی بورسیه پژوهشگری بنیاد ملی علوم در آزمایشگاه کورئا هدایت کرد، گفت:"این پروژه از سوال ساده‌ای درباره‌ی چگونگی ساخت هیدروژل‌های مبتنی بر EV شروع شد. وزیکول‌های ماستی ابزاری عملی برای این کار بودند، اما بیشتر از یک مدل بودند. ما دریافتیم که این وزیکول‌ها پتانسیل ذاتی بازسازی دارند که درهای جدیدی را به روی مواد درمانی قابل دسترس باز می‌کند."کورئا مدیر آزمایشگاه مهندسی ایمنی نانومقیاس در دانشگاه کلمبیا است، جایی که تحقیقاتش بر روی تحویل دارو و مهندسی ایمنی تمرکز دارد. او همچنین عضو مرکز جامع سرطان هربرت اروینگ است و در این پروژه با کام لئونگ، عضو دیگر هیئت علمی مهندسی کلمبیا همکاری کرد. مطالعه با همکاری بین‌المللی با پژوهشگرانی از دانشگاه پادووا، از جمله الیزا سیمتا (دانشکده مهندسی صنعتی) و دانشجوی فارغ‌التحصیل کاترینا پیونتی، تقویت شد. با ترکیب تخصص تیم پادووا در منبع‌گیری وزیکول‌های کشاورزی و تجربه آزمایشگاه کورئا در نانومواد و هیدروژل‌های مبتنی بر پلیمر، تیم توانست قدرت همکاری بین‌رشته‌ای و جهانی را در پیشرفت نوآوری‌های بیومتریال نشان دهد.

وزیکول‌های ماستی استخراج‌شده از ماست

با استفاده از وزیکول‌های ماستی استخراج‌شده از ماست، تیم فضای طراحی برای تولید هیدروژل‌هایی که وزیکول‌ها را هم به عنوان عناصر ساختاری و هم بیولوژیکی در بر می‌گیرند، تعریف کرد. آن‌ها همچنین این رویکرد را با وزیکول‌های خارج‌سلولی مشتق شده از سلول‌های پستانداران و باکتری‌ها آزمایش کردند و نشان دادند که این پلتفرم مدولار است و با منابع مختلف وزیکول سازگار است. این می‌تواند درهای جدیدی به روی کاربردهای پیشرفته در درمان زخم و پزشکی بازساختی باز کند، جایی که درمان‌های فعلی اغلب در ترویج ترمیم طولانی‌مدت بافت ناکام‌اند. با ادغام مستقیم وزیکول‌ها در ساختار هیدروژل، ماده قادر است سیگنال‌های بیواکتیو آن‌ها را به طور پایدار ارائه دهد. از آنجا که هیدروژل تزریقی است، می‌توان آن را به طور موضعی به بافت آسیب‌دیده رساند.

نتایج کسب شده از مطالعه

آزمایش‌های اولیه نشان داد که هیدروژل‌های وزیکول ماستی زیست‌سازگارند و در عرض یک هفته فعالیت آنژیوژنیک قوی را در موش‌های دارای سیستم ایمنی طبیعی ایجاد می‌کنند، که نشان می‌دهد وزیکول‌های کشاورزی نه تنها امکان پژوهش‌های بنیادی در زمینه بیومتریال‌ها را فراهم می‌کنند بلکه پتانسیل درمانی به عنوان فناوری زیستی نسل بعدی دارند. در موش‌ها، این ماده هیچ نشانه‌ای از واکنش نامطلوب نشان نداد و در عوض تشکیل رگ‌های خونی جدید را ترویج کرد، که گامی کلیدی در بازسازی مؤثر بافت است. تیم کورئا همچنین مشاهده کرد که هیدروژل محیط ایمنی منحصر به فردی ایجاد می‌کند که در آن سلول‌های ضدالتهابی غنی شده‌اند، که ممکن است به فرایندهای ترمیم بافت کمک کند. تیم در حال بررسی این است که چگونه این پاسخ ایمنی می‌تواند به هدایت بازسازی بافت کمک کند. مارگارونیس گفت: توانایی طراحی ماده‌ای که محیط طبیعی بدن را به طور دقیق تقلید کند و در عین حال فرایند بهبودی را تسریع کند، دنیای جدیدی از امکانات را برای پزشکی بازساختی باز می‌کند." لحظاتی مثل این به من یادآوری می‌کند که چرا رشته مهندسی زیست‌پزشکی همیشه در آستانه‌ی کشف چیزی هیجان‌انگیز است."

پایان مطلب/.