به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در دنیای پزشکی امروز، فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند ذخیره‌سازی سرد یا انجماد سلول‌های بنیادی، افق‌های جدیدی را برای درمان بیماری‌های پیچیده و بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده گشوده‌اند. این روش‌ها نه تنها امکان حفظ سلول‌های ارزشمند را برای استفاده‌های طولانی‌مدت فراهم می‌کنند، بلکه در زمینه پزشکی بازساختی، درمان سرطان، دیابت و حتی حفظ تنوع زیستی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. با پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های انجماد، مانند استفاده از مواد محافظتی نوین و روش‌های گرم کردن پیشرفته، نرخ بقای سلول‌ها پس از انجماد به طور چشمگیری افزایش یافته است.

سلول‌های بنیادی: پایه‌های بازسازی بدن

سلول‌های بنیادی، سلول‌هایی شگفت‌انگیز هستند که توانایی تمایز به انواع مختلف سلول‌های بدن را دارند. این سلول‌ها می‌توانند خود را تکثیر کنند و به سلول‌های تخصصی مانند سلول‌های عضلانی، عصبی، خونی یا حتی سلول‌های قلبی تبدیل شوند. بر اساس طبقه‌بندی، سلول‌های بنیادی به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند: سلول‌های بنیادی جنینی (ESCs) که از جنین‌های اولیه به دست می‌آیند و قابلیت تمایز به تمام انواع سلول‌ها را دارند؛ سلول‌های بنیادی بالغ یا سوماتیک مانند سلول‌های بنیادی هماتوپوئتیک (HSCs) از مغز استخوان یا خون بند ناف، که عمدتاً به سلول‌های خونی تبدیل می‌شوند؛ سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs) که از بافت‌های مختلفی مانند چربی، مغز استخوان یا بند ناف استخراج می‌شوند و در ترمیم بافت‌ها نقش دارند؛ و سلول‌های بنیادی القایی پرتوان (iPSCs) که از سلول‌های بالغ معمولی با برنامه‌ریزی ژنتیکی ساخته می‌شوند و مانند سلول‌های جنینی عمل می‌کنند.

این سلول‌ها به دلیل خواص منحصربه‌فردشان، در درمان بیماری‌هایی مانند لوسمی، نارسایی قلبی، آسیب‌های نخاعی و بیماری‌های خودایمنی مورد توجه قرار گرفته‌اند. اما برای بهره‌برداری از پتانسیل آن‌ها، نیاز به روش‌های ایمن برای ذخیره‌سازی وجود دارد. انجماد یا کریوپرزرویشن، فرآیندی است که سلول‌ها را در دماهای بسیار پایین (معمولاً زیر -۱۹۶ درجه سانتی‌گراد در نیتروژن مایع) حفظ می‌کند تا فعالیت‌های بیولوژیکی آن‌ها متوقف شود و بتوان آن‌ها را برای سال‌ها بدون آسیب نگه داشت.

اصول انجماد سلول‌های بنیادی

انجماد سلول‌های بنیادی بر پایه جلوگیری از آسیب‌های ناشی از تشکیل کریستال‌های یخ استوار است. هنگام انجماد، آب داخل و خارج سلول‌ها می‌تواند به یخ تبدیل شود که این امر باعث آسیب به غشای سلولی، ساختارهای داخلی و حتی DNA می‌شود. برای مقابله با این مشکل، از مواد محافظتی (CPAs) مانند دیمتیل سولفوکساید (DMSO)، گلیسرول یا اتیلن گلیکول استفاده می‌شود. این مواد آب سلول را جایگزین می‌کنند، نقطه انجماد را پایین می‌آورند و از تشکیل کریستال‌های یخ جلوگیری می‌کنند.

دو رویکرد اصلی برای انجماد وجود دارد: انجماد آهسته و ویتریفیکاسیون. در انجماد آهسته، سلول‌ها به تدریج خنک می‌شوند تا آب به آرامی خارج شود و یخ خارج سلولی تشکیل شود، در حالی که ویتریفیکاسیون با خنک کردن سریع و استفاده از غلظت‌های بالای مواد محافظتی ، سلول‌ها را به حالت شیشه‌ای تبدیل می‌کند بدون تشکیل یخ. انتخاب روش بستگی به نوع سلول دارد؛ برای مثال، سلولهای بنیادی مزانشیمی اغلب با انجماد آهسته حفظ می‌شوند، در حالی که سلولهای بنیادی القایی پرتوان و سلولهای بنیادی جنینی با ویتریفیکاسیون بهتر نتیجه می‌دهند.

تاریخچه انجماد: از کشف تا کاربردهای مدرن

تاریخ انجماد به سال ۱۹۴۹ بازمی‌گردد، زمانی که کریستوفر پولگ و همکارانش کشف کردند که گلیسرول می‌تواند اسپرم را در برابر آسیب انجماد محافظت کند. این کشف پایه‌گذار کریوپرزرویشن شد. در دهه ۱۹۷۰، نظریه دو عاملی آسیب سلولی (اثر اسمزی و تشکیل یخ داخل سلولی) توسط پیتر مازور ارائه شد که درک بهتری از فرآیند انجماد فراهم کرد. در سال ۱۹۸۵، رال و فاهی روش ویتریفیکاسیون را برای جنین‌های موش معرفی کردند که انقلابی در حفظ بافت‌های پیچیده ایجاد کرد.

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری رخ داده است. برای مثال، در سال ۲۰۲۳، محققان روش‌های جدیدی برای استفاده از نانومواد در انجماد معرفی کردند که نرخ بقای سلول‌ها را تا ۹۵ درصد افزایش می‌دهد. همچنین، بازار جهانی تجهیزات انجماد سلول‌های بنیادی تا سال ۲۰۲۵ به بیش از ۴.۸ میلیارد دلار رسیده و پیش‌بینی می‌شود تا ۲۰۳۰ دو برابر شود، که نشان‌دهنده رشد سریع این فناوری است.

روش‌های انجماد: انجماد آهسته در مقابل ویتریفیکاسیون

انجماد آهسته، روش سنتی است که در آن سلول‌ها با نرخ کنترل‌شده (حدود ۱ درجه سانتی‌گراد در دقیقه) خنک می‌شوند. این روش برای سلول‌های بنیادی هماتوپوئتیک و مزانشیمی مناسب است، زیرا اجازه می‌دهد آب به آرامی از سلول خارج شود و یخ خارج سلولی تشکیل شود. با این حال، خطر تشکیل یخ داخل سلولی و آسیب اسمزی وجود دارد. مطالعات نشان می‌دهند که استفاده از DMSO در غلظت ۱۰ درصد در این روش، بقای سلول‌ها را تا ۸۰-۹۰ درصد حفظ می‌کند.

در مقابل، ویتریفیکاسیون با خنک کردن ultra-rapid (بیش از ۱۰,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در دقیقه) و غلظت‌های بالای مواد محافظتی (تا ۶-۸ مولار)، سلول‌ها را به حالت شیشه‌ای تبدیل می‌کند. این روش برای سلول‌های حساس مانند سلولهای بنیادی القایی پرتوان و سلولهای بنیادی جنینی ایده‌آل است، زیرا از تشکیل یخ جلوگیری می‌کند. تحقیقات اخیر در سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که ویتریفیکاسیون نرخ بقای سلول‌های بنیادی جنینی را به بیش از ۹۸ درصد می‌رساند، در حالی که انجماد آهسته تنها ۹۱ درصد است. با این حال، ویتریفیکاسیون نیاز به تجهیزات پیشرفته دارد و خطر سمیت CPAs بالاتر است.

چالش‌های انجماد و راه‌حل‌ها

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، تشکیل کریستال‌های یخ است که می‌تواند غشای سلولی را پاره کند. در انجماد آهسته، این مشکل با کنترل نرخ خنک‌سازی حل می‌شود، اما در ویتریفیکاسیون، خطر دی‌ویتریفیکاسیون (بازگشت به حالت یخ هنگام گرم کردن) وجود دارد. علاوه بر این، مواد محافظتی مانند DMSO می‌توانند سمی باشند و باعث آسیب کروموزومی یا تمایز ناخواسته سلول‌ها شوند.

برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان از روش‌های نوین استفاده می‌کنند. برای مثال، افزودن آنتی‌اکسیدان‌ها یا پروتئین‌های ضد یخ (AFPs) از ماهی‌های قطبی، رشد کریستال‌ها را مهار می‌کند. همچنین، خشک‌سازی جزئی سلول‌ها قبل از انجماد با استفاده از پلی‌آمفولیت‌ها، آب داخل سلولی را کاهش می‌دهد و بقا را بهبود می‌بخشد. مطالعات در سال ۲۰۲۵ نشان می‌دهد که استفاده از پلی‌ال-هیستیدین کربوکسیله‌شده در سلولهای بنیادی مزانشیمی موش، نرخ بقا را نسبت به روش‌های سنتی دو برابر کرده است.

میکروکپسولاسیون: محافظت در مقیاس میکرو

میکروکپسولاسیون، فناوری پیشرفته‌ای است که سلول‌ها را در کپسول‌های کوچک هیدروژلی (مانند آلژینات) محصور می‌کند تا از آسیب‌های انجماد محافظت شود. این کپسول‌ها مانند سپری عمل می‌کنند که کریستال‌های یخ را مهار کرده و انتشار مواد محافظتی را کنترل می‌کنند. روش‌های تولید شامل میکروفلوئیدیک (برای کپسول‌های یکنواخت)، الکترواسپری (با ولتاژ الکتریکی برای تولید سریع) و سانتریفیوژ میکروفلوئیدیک (ساده و بدون روغن) است.

در کاربردها، میکروکپسولاسیون نرخ بقای سلولهای بنیادی مزانشیمی را پس از انجماد به بیش از ۹۰ درصد می‌رساند و تمایز آن‌ها را حفظ می‌کند. برای مثال، در حفظ سلول‌های بنیادی چربی خوک، این روش با مواد محافظتی کم، ویترفیکاسیون موفق ایجاد کرد. چالش‌ها شامل نیاز به تجهیزات پیشرفته و خطر سمیت روغن در روش‌های سنتی است، اما روش‌های تمام آبی این مشکلات را حل کرده‌اند.

روش‌های گرم کردن مجدد: فتوتریمال و الکترومغناطیسی

گرم کردن مجدد سلول‌ها پس از انجماد، مرحله‌ای حیاتی است که می‌تواند باعث آسیب شود. روش سنتی گرم کردن در حمام آب، کند است و خطر دی‌ویتریفیکاسیون را افزایش می‌دهد. گرم کردن فتوتریمال با استفاده از نانوذرات (مانند طلا یا تیتانیوم نیترید) و لیزر نزدیک مادون قرمز، گرمایش یکنواخت و سریع فراهم می‌کند. تحقیقات در سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که استفاده از MXene Ti₃C₂Tₓ در سلول‌های بنیادی بند ناف انسانی، بقا را به ۹۶ درصد رساند و خواص ضدباکتریایی افزود.

گرم کردن الکترومغناطیسی با میدان‌های مغناطیسی و نانوذرات مغناطیسی، گرمایش حجمی ایجاد می‌کند. این روش برای بافت‌های بزرگ مناسب است و در حفظ قلب و کلیه موش، ساختار را حفظ کرد. برای سلول‌های بنیادی، این روش در سلولهای بنیادی القایی پرتوان نرخ بقا را بهبود بخشید و امکان مقیاس‌پذیری را فراهم کرد.

مواد محافظتی نوین: پلی‌آمفولیت‌ها و نانومواد

پلی‌آمفولیت‌ها، پلیمرهایی با گروه‌های مثبت و منفی، مانند AFPs عمل می‌کنند و از تشکیل یخ جلوگیری می‌کنند .COOH-PLL در سلولهای بنیادی مزانشیمی موش، بدون آسیب تمایز، بقا را افزایش داد. نانومواد مانند گرافن اکسید یا نانوسلولوز، رشد یخ را مهار می‌کنند و در ترکیب با هیدروژل‌ها، سینرژی ایجاد می‌کنند.

کاربردهای بالینی: از قلب تا سرطان

سلول‌های بنیادی منجمد شده در درمان بیماری‌های قلبی-عروقی مانند نارسایی قلبی استفاده می‌شوند. بررسی‌های سیستماتیک در سال ۲۰۲۳ نشان داد که سلولهای بنیادی مزانشیمی منجمد شده، عملکرد قلب را بهبود می‌بخشد. در سرطان، سلولهای بنیادی هماتوپوئتیک منجمد برای پیوند مغز استخوان حیاتی است. در پزشکی بازساختی، برای ترمیم استخوان، غضروف و اعصاب کاربرد دارد. همچنین، در درمان دیابت با پیوند جزایر پانکراس و در آسیب‌های ارتوپدیک مفید است.

ذخیره‌سازی گونه‌های زیستی و تنوع ژنتیکی

انجماد در حفظ گونه‌های در خطر مانند جنین‌های موش یا گورخرماهی استفاده می‌شود. گرم کردن با لیزر، بقا را افزایش داده و در بانکداری ژنتیکی نقش دارد.

چالش‌ها و چشم‌اندازهای آینده

چالش‌ها شامل سمیت مواد محافظتی ، مقیاس‌پذیری و هزینه‌ها است. آینده شامل ترکیب فناوری‌ها مانند نانومواد پاسخ‌دهنده به نور و میکروکپسولاسیون است. با پیشرفت AI در نظارت بر انجماد، کارایی افزایش می‌یابد.

نتیجه‌گیری

انجماد سلول‌های بنیادی با فناوری‌های نوین، دریچه‌ای به درمان‌های پیشرفته باز کرده است. این روش‌ها نه تنها سلامت انسان را بهبود می‌بخشند، بلکه در حفظ تنوع زیستی نقش دارند. با ادامه تحقیقات، انتظار تحولات بیشتری می‌رود.

پایان مطلب./