کاربرد ماتریس خارج سلولی در ساخت هیدروژل

ماتریس خارج سلولی (Extracellular Matrix یا ECM) ستون فقرات غیرسلولی تمام بافت‌ها و ارگان‌های بدن را تشکیل می‌دهد. این ماتریکس علاوه بر ایجاد بستری فیزیکی، نقش فرماندهی مستقیم هموستاز، تمایز و حیات سلولی را بر عهده دارد. سلول‌ها درون یک شبکه سه‌بعدی و پویا از پروتئین‌های فیبریلار و گلیکوپروتئین‌ها قرار می‌گیرند و به کمک گیرنده‌های سطحی اختصاصی، پیوسته با اجزای این شبکه پیام‌های زیستی رد و بدل می‌کنند.

پژوهشگران ساختار ECM را به دو بخش کلی تقسیم می‌کنند:

1. ماتریس‌های بینابینی (Interstitial Matrix): این ساختار فضاهای میان‌سلولی بافت همبند را پر می‌کند و پایداری مکانیکی بافت را تضمین می‌نماید.
2. ماتریس‌های اطراف سلولی (Pericellular Matrix): غشای سلول‌ها را احاطه کرده و نقشی حیاتی در انتقال سیگنال‌های زیستی و عملکردهای سلولی دارد.

پلیمرهای طبیعی متعددی پیکره اصلی ECM را می‌سازند که نسبت آن‌ها در هر بافت منحصر‌به‌فرد است:

• کلاژن و الاستین: کلاژن فراوان‌ترین پروتئین ECM است؛ نوع، قطر و جهت‌گیری فیبرهای کلاژن سختی و استحکام مکانیکی بافت‌ها را مشخص می‌کند و حتی در فرآیند معدنی‌شدن، بافت مستحکم استخوان را شکل می‌دهد. الاستین نیز خاصیت ارتجاعی و بازگشت‌پذیری ارگان‌های متحرک مانند پوست، ریه‌ها و عروق خونی را تأمین می‌کند.
• گلیکوزامینوگلیکان‌ها (GAGs): زنجیره‌هایی نظیر اسید هیالورونیک (Hyaluronan) و فیبرونکتین مسئولیت حفظ آب، تأمین ویسکوالاستیسیته و تنظیم برهم‌کنش‌های چسبندگی میان سلول و ماتریس را برعهده دارند.

ماتریس خارج سلولی در ساخت هیدروژل

شباهت بنیادین ECM با هیدروژل‌ها در مهندسی بافت

هیدروژل‌ها شبکه‌های پلیمری سه‌بعدی متقاطع (کراس‌لینک‌شده) هستند که ظرفیت جذب شگفت‌انگیزی برای نگه‌داری آب دارند؛ به‌گونه‌ای که بیش از ۷۰ درصد وزن کل آن‌ها را آب تشکیل می‌دهد. ساختار متخلخل و آبرسان هیدروژل‌ها محیطی بسیار مشابه با ماتریکس طبیعی بدن را بازسازی می‌کند.

مهندسان زیست‌ماده و ماتریس خارج سلولی در ساخت هیدروژل با بهره‌گیری از هیدروژل‌های پایه ECM، موادی با قابلیت تنظیم بیومکانیکی و فیزیکوشیمیایی دقیق برای بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده می‌سازند. مزیت بزرگ این هیدروژل‌ها عبارت است از:

• شباهت ساختاری به ماتریکس طبیعی
• زیست‌سازگاری بسیار بالا و پاسخ ایمنی کنترل‌شده
• پتانسیل کپسوله‌کردن همگن سلول‌های زنده و داروهای درمانی
• امکان استفاده مستقیم به عنوان زیست‌جوهر (Bio-ink) در چاپ زیستی سه‌بعدی

روش‌های مشخصه‌یابی خواص فیزیکوشیمیایی هیدروژل‌های ECM

مهندسان پیش از بارگذاری سلول یا چاپ بافت، ساختار شیمیایی و فرآیند پلیمریزاسیون هیدروژل را با روش‌های آنالیزی پیشرفته ارزیابی می‌کنند:

۱. طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی (UV-Vis Spectroscopy)

محققان با تابش نور در بازه طول موج فرابنفش (۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر) و نور مرئی (۴۰۰ تا ۷۵۰ نانومتر)، میزان جذب مولکول‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند. این روش اطلاعات دقیقی درباره غلظت ترکیبات، سینتیک پلیمریزاسیون و فرآیند ژل‌شدن هیدروژل در اختیار آزمایشگر قرار می‌دهد.

۲. طیف‌سنجی رامان (Raman Spectroscopy)

در طیف‌سنجی رامان، محققان با ثبت پراکندگی غیرالاستیک فوتون‌ها، تغییرات ساختاری هیدروژل و کیفیت برهم‌کنش زنجیره‌های پلیمری ماتریس با مواد بیولوژیکی را رصد می‌کنند.

۳. طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)

پژوهشگران از روش ATR-FTIR برای رصد پیوندهای درون‌مولکولی و بین‌مولکولی هیدروژل‌ها استفاده می‌کنند. این تکنیک بدون نیاز به آماده‌سازی پیچیده، ساختار هیدروژل را در هر دو فاز مایع و جامد تحلیل می‌کند.

۴. طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته (NMR)

طیف‌سنجی هسته‌ای، ابزاری بسیار دقیق برای شناخت پیوندهای شیمیایی، سرعت سینتیک ژل‌شدن و خلوص مواد است:

• طیف‌سنجی 1H-NMR^1\text{H-NMR}1H-NMR: این تکنیک سیگنال‌های حاصل از اسپین هسته اتم هیدروژن را شناسایی می‌کند.
• طیف‌سنجی 13C-NMR^{13}\text{C-NMR}13C-NMR: رفتار هسته کربن را برای تعیین ساختار ستون فقرات پلیمری بررسی می‌نماید.

تحلیل خواص مکانیکی و پاسخ سلول به محرک‌های فیزیکی

سلول‌ها به طور مداوم نیروهای مکانیکی محیط خود را از طریق اجزایی مانند اینتگرین‌ها، چسبندگی‌های کانونی و اسکلت سلولی اکتین حس می‌کنند و به آن واکنش نشان می‌دهند. اگر توزیع پلیمری در ژل غیریکنواخت باشد، سلول‌ها رفتارهای ناهمگن از خود بروز می‌دهند.

مهندسان آزمون‌های مکانیکی هیدروژل‌ها را در دمای فیزیولوژیک ۳۷ درجه سانتی‌گراد (دمای طبیعی بدن) و در حالت‌های زیر اجرا می‌کنند:

• آزمون کشش (Tensile Test)
• آزمون فشار (Compression Test)
• آزمون خمش (Bending Test)

خواص رئولوژیکی: عامل تعیین‌کننده در چاپ زیستی

هیدروژل‌های ECM رفتار ویسکوالاستیک دارند؛ یعنی هم خواص سیالاتی (ویسکوز) و هم خاصیت ارتجاعی (الاستیک) را بسته به نوع اتصالات عرضی نشان می‌دهند:

• خاصیت تنش‌برشی‌کاهش‌یافته (Shear-thinning): تحت فشار خروجی از نازل پرینتر، ویسکوزیته کاهش می‌یابد و پس از تزریق، فرم اولیه بازمی‌گردد.
• خودترمیمی (Self-healing): با حذف تنش اعمال‌شده، اتصالات موقت فیزیکی دوباره شکل می‌گیرند و ساختار هیدروژل بازیابی می‌شود.

متخصصان رفتار رئولوژیکی زیست‌جوهر را با دو آزمون اصلی ارزیابی می‌کنند:

1. تست چرخشی تک‌جهتی (Rotational Test): مناسب برای نمونه‌های بسیار ویسکوز و ژل‌های فیزیکی فاقد کراس‌لینک با هدف محاسبه دقیق ویسکوزیته تحت نرخ کرنش برشی.
2. تست نوسانی (Oscillatory Test): اختصاصی برای هیدروژل‌های دارای کراس‌لینک کووالانسی که رفتار الاستیک غالبی دارند، با هدف تفکیک مدول ذخیره (G′G’G′) و مدول افت (G′′G”G′′).

استانداردهای ارزیابی برون‌تنی (In Vitro) مطابق با ISO 10993-5

بر اساس استاندارد معتبر ISO 10993-5، پژوهشگران آزمون‌های زیست‌سازگاری و سنجش سمیت سلولی هیدروژل‌های ECM را در چهار ساختار آزمایشی مشخص پیاده‌سازی می‌کنند:

1. کشت سلول‌ها به شکل دوبعدی روی سطح هیدروژل
2. کپسوله‌کردن و محصور کردن سلول‌ها درون ماتریس سه‌بعدی هیدروژل
3. کشت اولیه سلول‌ها در بستر ظرف و سپس پوشاندن سطح آن‌ها با لایه هیدروژل
4. انکوباسیون سلول‌ها با عصاره استخراج‌شده از هیدروژل (محیط شستشو یا ترکیبات رهاشده)

چالش‌های کلیدی هیدروژل‌های ECM و چشم‌انداز آینده

در ادامه مطلب ماتریس خارج سلولی در ساخت هیدروژل، با وجود برتری‌های زیستی، پژوهشگران در توسعه هیدروژل‌های ECM با چالش‌های فنی مهمی روبه‌رو هستند:

• تغییرات بچ به بچ (Batch-to-Batch): هیدروژل‌های طبیعی استخراج‌شده از منابع جانوری (مانند پوست گاو یا دم موش) خلوص و ترکیب ثابتی ندارند و این موضوع تکرارپذیری آزمایش‌ها را کاهش می‌دهد.
• خطرات انتقال پاتوژن: منابع حیوانی احتمال انتقال عفونت و بروز پاسخ‌های آلرژیک یا ایمونوژنیک را افزایش می‌دهند. امروزه محققان برای رفع این مشکل به سراغ اسید هیالورونیک سنتز شده با باکتری‌ها و کلاژن نوترکیب انسانی رفته‌اند.
• محدودیت‌های تصویربرداری: آب زیاد موجود در شبکه هیدروژل‌ها وضوح تصاویر میکروسکوپی نوری و الکترونی را محدود می‌کند.

ترکیب فناوری‌های نوظهور نظیر پرینت زیستی سه‌بعدی چندماده‌ای، میکروفلوئیدیک و لیتوگرافی نوری مسیر جدیدی را برای طراحی دقیق نسل آینده بافت‌های پیوندی باز کرده است. همگرایی بین‌رشته‌ای میان دانشمندان علوم مواد، زیست‌شناسان و مهندسان بافت، تحقق ساخت ارگان‌های پیوندی کامل را دست‌یافتنی‌تر از همیشه می‌سازد.

منبع ماتریس خارج سلولی در ساخت هیدروژل

S. Martin-Saldana, M. Al Waeel, A. M. Alsharabasy, A. Daly, and A. Pandit, “An interdisciplinary framework for the characterization of extracellular matrix-hydrogels for biomedical applications,” Matter, vol. 5, no. 11, pp. 3659-3705, 2022.