کشت ترکیبی سلول های ماهیچه و اعصاب و چالش‌های بازسازی ساختاری و عملکردی عضله اسکلتی

ضایعات عضلانی اسکلتی ناشی از تصادفات شدید، تروماهای ورزشی و جراحت‌های میدان نبرد، با نقص‌های حجمی گسترده همراه هستند. این آسیب‌ها فرآیند انقباض و انتقال سیگنال‌های حرکتی را به طور کامل مختل می‌کنند. پزشکی بازساختی و مهندسی بافت در سال‌های اخیر داربست‌های سلولی متعددی برای بازسازی فیبرهای عضلانی توسعه داده‌اند. با این حال، دستیابی به یک بافت عضلانی بالغ با عملکرد انقباضی واقعی همواره با بن‌بست روبه‌رو شده است.

مشکل اصلی در مهندسی بافت عضله، عدم عصب‌دهی (Innervation) سریع و کارآمد سازه‌های کاشته‌شده است. سلول‌های ماهیچه‌ای بدون اتصال به پایانه‌های عصبی حرکتی، دچار آتروفی می‌شوند و توانایی انقباض هماهنگ را به مرور از دست می‌دهند. بنابراین، شبیه‌سازی هم‌زمان مسیرهای سیگنال‌دهی عصبی و عضلانی، کلید اصلی ساخت عضلات اسکلتی عملکردی به شمار می‌رود.

کشت ترکیبی سلول های ماهیچه و اعصاب

نوآوری انستیتو ویک فارست در چاپ زیستی چندماده‌ای

محققان برجسته انستیتو طب بازساختی ویک فارست (WFIRM) برای غلبه بر این محدودیت، راهکار نوینی ابداع کردند. آن‌ها یک سامانه پیشرفته چاپ زیستی سه‌بعدی چندنازله را برای تولید سازه‌های عضلانی دارای شبکه عصبی به کار گرفتند. این تیم پژوهشی با بهره‌گیری از معماری دقیق میکرومتری، سه نوع جوهر با ویژگی‌های متمایز را در قالب یک داربست واحد چاپ کردند:

1. جوهر ساختاری مکانیکی: پلیمر زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر پلی‌کاپرولاکتون (PCL) که چارچوب و مقاومت فیزیکی داربست را در برابر نیروهای کششی مداوم تضمین می‌کند.
2. جوهر فداشونده زیستی: هیدروژل ژلاتین بدون سلول که پس از چاپ و ایجاد ریزکانال‌های عبور مواد مغذی و اکسیژن، به آرامی در دمای ۳۷ درجه شسته و تخلیه می‌شود.
3. جوهر زیستی حامل سلول: ماتریکس نرم بر پایه فیبرینوژن که ریزمحیطی غنی از فاکتورهای چسبندگی برای سلول‌های زنده فراهم می‌سازد.

نوآوری اصلی این پروژه در فرمولاسیون جوهر سلولی نهفته است؛ پژوهشگران به جای استفاده از سلول‌های عضلانی به تنهایی، استراتژی هم‌کشتی (Co-culture) را پیاده کردند. آن‌ها سلول‌های پیش‌ساز عضلانی (Muscle Progenitor Cells) را با سلول‌های بنیادی عصبی (Neural Stem Cells) درون جوهر فیبرینوژنی مخلوط و چاپ کردند.

نتایج ارزیابی‌های برون‌تنی (In Vitro) و تشکیل اتصالات NMJ

پژوهشگران سازه‌های حاوی کشت ترکیبی را با نمونه‌های کنترل (حاوی سلول‌های ماهیچه‌ای به تنهایی) مقایسه کردند. تحلیل‌های میکروسکوپی و برون‌تنی تفاوت‌های چشمگیری را نشان داد:

• افزایش بلوغ و تمایز میوتوب‌ها: حضور سلول‌های عصبی ترشح فاکتورهای نوروتروفیک را افزایش داد و تمایز سلول‌های پیش‌ساز به مایوفایبرهای چند‌هسته‌ای و طویل را تسریع کرد.
• تشکیل اتصالات عصبی-عضلانی (NMJ): پایانه‌های عصبی با گیرنده‌های استیل‌کولین سطح فیبرهای عضلانی تماس فیزیکی برقرار کردند. این سیناپس‌های بیولوژیکی امکان انتقال پتانسیل عمل را فراهم ساختند.
• افزایش درصد زنده‌مانی سلولی: تبادل سیگنال‌های پاراکراین میان دو رده سلولی، مقاومت سلول‌ها در برابر تنش‌های برشی حین چاپ را تقویت کرد.

بازیابی قدرت انقباضی و جرم بافت در مدل‌های حیوانی

تیم پژوهشی برای اثبات کارایی درمانی، این سازه‌های مهندسی‌شده را به مدل‌های موشی دچار نقص حجمی عضله پیوند زد. نتایج بررسی‌های بافت‌شناسی و الکتروفیزیولوژیک درون‌بدنی پس از دوره پیوند به شرح زیر ثبت شد:

• تسریع بلوغ درون‌بدنی عضله: تحریک الکتریکی اعصاب مجاور به سرعت به فیبرهای عضلانی چاپ‌شده منتقل شد و بافت پیوندی را به بلوغ فیزیولوژیک کامل رساند.
• کاهش تشکیل بافت اسکار: برقراری سریع جریان عصبی و رگ‌زایی در بافت، از فیبروز ناشی از ایسکمی جلوگیری کرد.
• بازیابی وزن و نیروی انقباضی: عضله آسیب‌دیده بیش از ۸۰ درصد وزن از‌دست‌رفته و قدرت انقباضی اولیه خود را بازیافت، در حالی که گروه فاقد سلول‌های عصبی بازیابی ضعیفی نشان داد.

این پژوهش نشان داد که هم‌افزایی میان علوم اعصاب و ساخت افزایشی زیستی، راه‌حل قطعی تولید عضلات اسکلتی فعال در ابعاد بالینی است.

منابع و اطلاعات تکمیلی

• پایگاه پژوهشی: انستیتو طب بازساختی ویک فارست (Wake Forest Institute for Regenerative Medicine – WFIRM)
• ژورنال منبع کشت ترکیبی سلول های ماهیچه و اعصاب: Nature Communications (سال ۲۰۲۰)
• شناسه دیجیتال مقاله (DOI): 10.1038/s41467-020-14930-9