Document Type : Review article
Authors
Abstract
Keywords
مقدمه
در طی سالیان اخیر بیماری‌های قلبی و عروقی(CVD)[1]به عنوان سه علت اصلی مرگ و میر و ناتوانی انسان در سراسر دنیا شناخته شده است. عروق خونی تقریبا در پاتوفیزیولوژی بیماری همه ی ارگان‌ها شرکت دارند، در نتیجه داشتن درک اساسی بیولوژی عروق خونی و بیماری‌های آن، پایه‌ای برای درک عملکرد طبیعی همه‌ی ارگان‌های بدن و همینطور بسیاری از بیماری‌هاست (1).
یکی ازجراحی‌های متداول پزشکی جایگزینی قسمت مسدود و یا باریک شده‌ی شریان‌های بزرگ وکوچک خون است و درحال حاضر بهترین پیوند عروقی مربوط به پیوند اتوگرافت [2] است . به طور کلی ورید صافن[3]، شریان های رادیال[4]ودرون پستانی[5]بعنوان رگهای اصلی برای جایگزینی عروق مطرح می شوند ولی در بسیاری از بیماران ، رگهای موجود در بدن بیماران به دلایل مختلف از جمله سن بیمار، سایز کوچک، واریس، برداشت‌های قبلی ، یا اختلالات دیگر قابل استفاده نیستند (2). علاوه بر نیاز روز افزون و مبرم بیمارانقلبی به پیوند، همودیالیزنیز همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، نیازمند یک پیوند است که شریان را به ورید متصل کند تا جریان خون را در طول درمان تسریع نماید.
لذا در این راستا تقاضا جهت عروق جایگزین و به‌خصوص پیوند عروق با قطر کوچک بسیار زیاد و داشتن جایگزین‌های مطلوب در این زمینه امری ضروری و اجتناب‌ناپذیر خواهد بود (3, 4). (درشکل 1نمونهای از گرافتهای تجاری موجود ارائه گردیده است)
. کاربردهای مهندسی بافت در عروق خونی
امروزه مهندسی بافت در صدد طراحی و ساخت رگهای مصنوعی با بیشترین تطابق با رگهای طبیعی است (مطابق شکل2).کارل در سال 1912 اولین کسی بود که استفاده از لوله‌های فلزی و شیشه ای را تحت عنوان عروق مصنوعی در جراحی بای‌پس قلب در سگ توصیف کرد (6). در اوایل سال 1950 آرتور و همکارانش اولین عروق مصنوعی را جهت جایگزینی شریان ارائه کردند. آنها با مورد بررسی قرار دادن 18 مورد جایگزینی توانستند نتایج رضایت بخشی را را ازنظر کیفیت عملکرد پروتز و تطبیق‌پذیری آن کسب کرده و ناتوانی خود را در موفقیت کامل جایگذاری، که ناشی از عدم موفقیت شان در جلوگیری از عفونت و خونریزی بود، بیان نمودند (7).
علی‌رغم وجود تلاش‌های فراوان در زمینه پیدا کردن مواد جایگزین در حیطه بیماران قلبی و عروقی، شکست ناشی از کاربرد موادی چون فلزات، شیشه و ابریشم دو معیار اصلی را در استفاده از مواد مصنوعی مورد توجه قرار داده است:
1- ایجاد لخته‌های خون 2- بقاء و ماندگاری (8)
در نتیجه تلاش و تحقیقات در پی یافتن مواد بی اثری که حد‌اقل فعل و انفعالات را با خون و بافت داشته باشند، گسترش یافته و بیش از پیش مدنظر محققان است. پلیمرها می توانند زیست تخریبپذیر یا زیست تخریب‌ناپذیر باشند. هر دودسته ی این پلیمرها می‌توانند از مواد طبیعی و یا مصنوعی و یا ترکیبی از این دو ساخته شوند. تاکنون بیش از صد نوع پلیمر طبیعی و مصنوعی الکتروریسی شده‌اند ولی متاسفانه فقط تعداد کمی از این پلیمرها توسط سازمان غذا و دارو آمریکا(FDA) جهت استفاده در کلینیک انسانی تأیید شده‌اند(9, 10). پلیمرها بر اساس اینکه ریشه طبیعی یا مصنوعی داشته باشند به دو دسته تقسیم می شوند. از جمله پلیمرهایی که جهت جایگزین‌های عروقی توسط این سازمان مورد تایید قرار گرفته اند پلی اتیلن ترفتالات (داکرون) ، پلی تترافلورو اتیلن گسترش یافته(تفلون) و پلی یورتان می‌باشند. همچنین در شکل زیر(شکل3) پلیمرهای رایج در مهندسی بافت که توسط پژوهشگران جهت کاربردهای کلینیکی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته‌اند، به تفکیک پلیمرهای طبیعی و مصنوعی بیان شده‌اند:
جهت داشتن حداکثربازدهی، گرافتهای عروقی باید قادر باشند بطور کامل خواص احیاکننده بافت‌های عروقی طبیعی را تکرارکرده و به منظور مناسب بودن جهت جایگزینی‌های طولانی مدت باید معیارهای زیر (جدول1) را پوشش دهند
. پلیمرهای طبیعی
از مهمترین پلیمرهای زیستی که ریشه طبیعی دارندو در ساخت عروق مصنوعی مورد استفاده قرار میگیرند، می‌توان به ژلاتین، الاستین، کلاژن و کیتوسان اشاره کرد که در ادامه به تفضیل در مورد خصوصیات آنها بحث خواهد شد.
بر طبق شکل4ژلاتین ماده‌ای جامد، نیمه شفاف و کمابیش بی مزه است که از استخوان گاو و یا کلاژن درون پوست خوک حاصل می شود و به دلیل شباهت به کلاژن و منشا زیستی که دارد به عنوان پلیمری جذاب جهت کاربردهای مهندسی بافت معرفی گردیده است(11).دونوع ژلاتین A و Bوجود دارد که گروه‌های کربوکسیلیک در نوع A بیشتر از نوع B بوده لذا همین موضوع باعث گردیده است که ژلاتین نوع A نمونهای بسیار ارجح جهت ساخت و ساز داربست‌ها باشد(12). ژلاتین تخریب پذیری عالی، غیر آنتی ژن و دارای بازدهی بالا می‌باشد ولی نقطه ضعف عمده آن قابلیت انحلال آن در دماهای بالا و ژل شدن آن در دمای پایین ( دمای اتاق ) است که همین موضوع عامل استفاده از آن به عنوان گرافتهای طولانی مدت را محدود می‌سازد(13)
الاستین به عنوان یک پروتئین ساختاری کلیدیکه در ECM بافت همبند یافت می شود معرفی می گردد (14).
پارامترهای ارتجاعیت و کشش به عنوان دو ویژگی ساختاری مهم در این پلیمر مطرح می‌گردند. الاستین عامل اصلی کامپلیانس در رگهای خونی است. از نظر فیزِیولوژیکی به منظور ایجاد اطمینان در مقامت دیواره رگ‌ها، شریان ها و لیگامان ها در برابر فشارهای بالا و انرژی های الاستیک، موارد مذکور دارای دیواره‌ای غنی از الاستین می باشند. داربست‌های ساخته شده از الاستین دارای تخلخل و سطح مناسب جهت پیوند در عروق با قطر کوچک هستند ولی نقطه ضعف آن ها کاهش استحکام کششی و مدول الاستیسیته آنهاست که استفاده منحصربفرد آنها در ساخت داربست های رگی را با محدودیت مواجه می‌کند. (14, 15).
3.3. کلاژن
کلاژن پروتئین اصلی ECM در بدن است که حمایت مکانیکی مطلوبی از بافت‌ها دارد(16). از جمله خواص آن می‌توان به آنتی‌ژنی پایین، سازگار زیستی، خواص عالی بیولوژیکی و پاسخ التهابی پایین نام برد. کلاژن نوع I یکی از اجزای اصلی دیواره عروق است که بصورت گسترده‌ای در ساخت داربست‌ها جهت کاربردهای مهندسی بافت عروق استفاده می‌گردد (17). هرچند با توجه به نوع پراکندگی سلول‌ها در دیواره عروق، کلاژن دارای یک ساختار سازمان یافته جهت پراکندگی سلول‌ها در عروق خونی است اما با توجه به طبیعت غیر الاستیک آن، نسبت به فشار بسیار حساس بوده و نسبت به داربست‌های داکرونی تحمل فشارهای بالا را ندارد. همچنین محصول حاصل از تخریب آن منجر به تولید اسیدهای آمینه‌ای می‌گردد که باعث ایجاد حالت ترومبوژنیستی می‌گردند و عوامل مذکور استفاده از کلاژن را به تنهایی در ساخت داربست‌ها با محدودیت مواجه می‌کند. علاوه برآن به علت قیمت بالای آن جهت ساخت داربست‌ها با هزینه تولیدی پایین روشی موثرمحسوب نمی گردد(16).
کیتوسان به عنوان یک پلی‌ساکارید خطی و غیر بلوری از دی‌استیل‌دار کردن قلیایی کیتین، حاصل می‌شود. کیتین بعد از سلولز فراوانترین پلیمر تخریبپذیر موجود در طبیعت است. مهمترین منابع اصلی برای استحراج کیتوسان که بصورت تجاری نیز دارای توجیه اقتصادی است پوست میگو و خرچنگ است. از جمله خواص برجسته کیتوسان می‌توان به زیست سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری و عدم سمیت اشاره نمود. همچنین می‌توان گفت کیتوسان به عنوان یک فیلم قوی و نفوذناپذیر که دارای اثرات ضدمیکروبی و اکسندگی است به عنوان یک ماده پرارزش در کاربردهای پزشکی معرفی شده است(18).
یکی از مزایای استفاده از پلیمرهای مصنوعی انعطاف پذیری آنهاست. به این معنا که می‌توان با تغییر نوع طراحی، ساختارهای دلخواه از نظر دانسیته، پاسخ ویسکوالاستیک مناسب درزمینه نزدیکی با خواص عروق طبیعی را ایجاد کرد. پلیمرهای مصنوعی براساس میزان ماندگاریشان به دو دسته تخریب پذیر و تخریب‌ناپذیر تقسیم می‌شوند.
4.1. پلیمرهای تخریب ناپذیر
4.1.1. پلی تترافلورواتیلن (تفلون)
پلی‌تترا فلوئورواتیلن پلیمری خطی و مشابه با پلی‌اتیلن است که تنها تفاوت آن با پلی اتیلن جانشینی اتم فلوئور به جای هیدروژن در ساختار مولکولی پلیمر است.
از جمله خواص برجسته این پلیمر می‌توان به استحکام بالا، زیست سازگاری، عدم چسبندگی و قطبی بودن بالا به دلیل وجود اتم فلوئور در ساختارش اشاره کرد. از جمله نقاط ضعف این پلیمر می‌توان به مقاومت سایشی و عدم حلالیت آن در حلال‌های گوناگون وقیمت بالا اشاره نمود.همچنین ePTFE به‌عنوان
یک پلیمر متخلخل با سطح الکترونگاتیو و تخریب‌ناپذیر معرفی می‌گردد. این پلیمر به دلیل خواص مکانیکی مطلوب و همچنین عدم تغییر بیولوژیکی در داخل بدن و عدم واکنش با اجزای خون به عنوان یک پلیمر مطلوب در ساخت گرافتهای عروقی مطرح می‌گردد(19).
4.1.2. پلی اتیلن ترفتالات (داکرون)
پلیمرمصنوعی پلی اتیلن ترفتالات (مطابق شکل5)که به عنوان داکرون نیز شناخته می شود به دلیل داشتن خواصی مطلوب از جمله انعطاف‌پذیری، مقاومت و استحکام مکانیکی بالا در برابر تجزیه بیولوژیکی، وزن سبک و بی‌خطر بودن از نظر سمیت در برنامه و کاربردهای زیست پزشکی مانند ساخت نخ بخیه و رگ مصنوعی جایگاه ویژه‌ای را به خود اختصاص داده است.این داربست‌ها نسبت به داربست‌های تفلونی دارای ترومبوژنیستی کمتری بوده و با بافت میزبان سازگاری بسیار خوبی دارند. همچنین یکی از مشخصه‌های مهم و مطلوب این داربست‌ها این است که در برابر فرآیند دیالیز مقاومت مطلوبی را ازخود نشان می‌دهند. داربست‌های داکرونی در زمینه عروق با قطر کوچک هنوز هم درصد بالایی از شکست را نشان می دهند که این شکست ناشی از نیروهای کشش سطحی، جذب پروتئین پلاسمای خون توسط داربست و درنتیجه التهاب، ایجاد عفونت و ایجاد ترومبوز ودر نهایت انسداد رگ‌هاست. در مجموع داربست های تولید شده از داکرون کامپلیانس و خاصیت ارتجاعی کمی را از خود نشان می‌دهند و این موضوع آنها را درساخت داربست‌های رگی با قطر کوچک با شکست روبهرو کرده است.
4.1.3. نایلون
نایلون با داکرون و تفلون متفاوت بوده و به عنوان یک ماده سخت با ضریب اصطکاک و مقاومت بالا در برابر فرسایش معرفی می‌گردد. نایلون به عنوان پلیمری با خواص مطلوب به شرح ذیل معرفی می‌گردد:
فرآیند پذیر، مقاوم در برابر حرارت، مقاومت در برابر خستگی، خواص شیمیایی مطلوب
ولی به دلیل اینکه نسبت به داکرون و تفلون سطح ترومبوژنیستی کمتری ندارد لذا به تنهایی نمی‌تواند کارایی مثبتی داشته باشدو جهت کاهش میزان لختگی خون در آن، باید با پلیمرهای دیگر خواه بیولوژیکی و خواه مصنوعی ترکیب شود(20).
5. پلیمرهای تخریب پذیر
استفاده از مواد زیست تخریبپذیر در ساخت داربست های رگی به علت اینکه دراثر تخریب مواد درطول زمان، سلول‌هابصورت مداوم به ماتریس نفوذکرده و به‌جای موادتخریب‌پذیر کلاژن، الاستین و پروتئوگلیان تولید و ایجاد می‌شوند، یک مزیت کلیدی را ایجادمی‌کند. در نهایتیک عروق با عملکرد کامل متشکل از عضله‌های صاف اتولوگ و ECs ها تولید می گردد. بنابراین نرخ تخریب پذیری طولانی مدت یکی از مهمترین خواص برای پلیمرهای زیستی است که استحکام مکانیکی بلند مدت را برای نفوذ سلول ایجاد می‌کند(21). از مهمترین پلیمرهای تخریب پذیر می‌توان پلی یورتان، پلی گلایکولیک اسید، پلی لاکتیک اسید وپلی کاپرولاکتان را نام برد.
5.1. پلی یورتان
قطعات پلی‌یورتان در واقع کوپلیمرهایی ترکیبی از سه مونومر مختلف هستند: بخش سخت که از دی ایزوسیانات مشتق شده است، زنجیره بسط دهنده‌و بخش نرم که معمولا از پلی ال می‌باشند. اساسا بخش نرم عامل انعطاف‌پذیری است در حالیکه بخش سخت در استحکام نقش دارد. انتخاب سه مونومر می‌تواند موادی با خواص مکانیکی متفاوت تولید کندو همین موضوع، پلی یورتان را به یک ماده زیستی جالب تبدیل کرده است. علاوه براین خاصیت کشسانی بالا، خواص مکانیکی خوب و زیست سازگاری قابل قبول، پلی‌یورتان را به ماده‌ای جذاب برای ساخت داربست‌های رگی تبدیل کرده است(8).
5.1.2. پلی گلایکولیک اسید
یک پلیمر خطی ساده است که دارای خاصیت کریستالی و دمای ذوب بالایی بوده و دمای شیشه‌ای انتقال آن در حدود 35-45 درجه سانتیگراد است و حلالیت کمی درحلال‌های آلی دارد. ساختار پلی گلایکولیک اسیدبا نام تجاری Dexon در دسترس بوده و مقاومت مکانیکی اش را طی یک دوره 2-4 هفته‌ای بعد از ایمپلنت از دست می‌دهد. و عدم داشتن مقاومت مکانیکی مطلوب یکی از مشکلات عمده آن و مانعی جهت کاربرد آن در حیطه ساخت داربست‌های رگی است. لذا جهت بهبود خواص پلی گلایکولیک اسید جهت داشتن کاربرد بیشتری در حیطه مهندسی پزشکی و مهندسی بافت از کوپلیمرهای آن همراه با دیگرپلیمرها توصیه می شود.
5.1.3. پلی‌لاکتیک‌اسید
این پلیمرجزء پلیمرهای زیست تخریبپذیر بوده و دارای رشته‌های بلند پلیمری مستحکمی است که با رسیدن آب به این رشته‌ها، آنها به اسیدهای موجود در بدن تجزیه می‌شوند (16). پلی ال لاکتیک اسید یک پلیمر نیمه بلورین و پلی‌دی‌لاکتیک‌اسید یک پلیمرآمورف است که این موضوع ناشی از توزیع تصادفی واحدهای ال لاکتیک و دی لاکتیک می‌باشد. پلی‌لاکتیک‌اسید دارای زیست سازگاری، استحکام و خواص مکانیکی مطلوبی بوده و قابلیت انحلال در حلال‌های متفاوت را دارا می‌باشد. لازم به ذکر است که یکی از مزیت‌های عمده آن تبدیل شدن به مواد موجود در بدن پس از تجزیه است. الیاف الکتروریسی شده PLAارتشاح سلولی و واکنش فیبروتیک کمتری را نشان می‌دهند. در حالت عمومی جهت از بین بردن یک سری معایب این پلیمر از جمله آبگریزی و تخریب‌پذیری، کوپلیمرهای آن و حالتهای اصلاح شده‌ی این پلیمر جهت ساخت داربست‌های رگی بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفته است(22).
5.1.4. پلی کاپرولاکتان
پلی کاپرولاکتان به عنوان یک پلیمر زیست فعال و همچنین غیرسمی است که رفتار الاستیک بالایی داشته و به عنوان کاندیدایی مناسب جهت ساخت گرافت های عروقی مطرح می گردد. علاوه بر موارد مذکور، طبیعت آبگریز و سطح بالای تبلور داربست های پلی‌کاپرولاکتانی باعث می شود زمان تخریب طولانی‌تری در بدن و همچنین حمایت مکانیکی مطلوبی را برای سلول به ارمغان آورد(23). زمان تخریب طولانی و زیست‌سازگاربودن پلی‌کاپرولاکتان آن را به عنوان جایگاهی مناسب برای سلولهای اندوتلیال و عضله صاف مطرح کرده و کامپلیانس ذاتی که دارد آن را به عنوان یک کاندیدای مناسب جهت داربست‌های عروقی معرفی می‌کند و همچنین تخریب پذیری آن باعث می گردد که سلول‌ها بطور مداوم در آن نفوذ کرده و تولید کلاژن، الاستین و پروتئوگلیکان نموده و در نهایت یک شزیان با عملکرد مطلوب شبیه به عروق طبیعی متشکل از سلولهای اندوتلیال و عضله صاف تشکیل گردد. اگر پلی کاپرولاکتان بخواهد به عنوان ماده اصلی در ساخت داربست های عروقی به کار گرفته شود باید عملکرد آن از لحاظ استحکام(عملکرد) مکانیکی و نفوذ سلول‌ها بهبود یابد. زیرا خاصیت آبگریزی و عدم استحکام مکانیکی آن در این زمینه به عنوان محدودیت محسوب می‌گردد (23, 24).
بحث و نتیجه گیری
تقریبا تمام گرافتهای ساخته شده با پلیمرهای تخریب‌ناپذیر درپیوندهای عروقی دارای یک نقطه ضعف مشترک هستند و باید بعد از مدت زمان کوتاهی به علت عفونت برداشته شوند. از طرف دیگر داربست‌های عروقی تخریب پذیر به علت اینکه بعد از گذشت زمان کوتاهی در بدن از بین می روند و هیچ اثری از جسم خارجی در بدن باقی نمی‌گذارندو دامنه تغییرات بافتی بیشتری را می‌توانند تحمل کنند. همچنین استفاده از پلیمرهای تخریب ناپذیر به دلیل عدم استحکام و استقامت کافی نمی تواند پاسخگوی نیاز ماباشد.لذا با توجه به ساختارهای چندلایه عروق خونی و اینکه هرکدام از آنها نقش منحصر بفردی از قبیل خاصیت ارتجاعی و استحکام را بر عهده دارند استفاده هم‌زمان از پلیمرها با خواص متفاوت می‌تواند مفید واقع شود. در این راستا استفاده از پلیمر پلی یورتان به دلیل خاصیت کشسانی و ارتجاعی منحصر به فردی که دارد همچنین پلی اتیلن ترفتالات به دلیل استحکام بخشی به داربست‌ها در بین پلیمرهای موجود بیشتر به چسم میخورد که می‌تواند ناشی از شباهت آنها به الاستین و کلاژن موجود در ساختار لایه‌های عروق طبیعی بدن باشد.
در انتها مهمترین مواردی که اشاره به دلایل انتخاب روش ساخت داربست وانتخاب پلیمرهای متفاوت با خواص منحصربفرد در ساخت داربست های رگی دارد به شکل زیر بیان می‌گردند:
الف) استفاده از ساختارهای چندلایه در داربست‌های رگی تولیدی با توجه به ساختار لایه‌لایه‌ی عروق طبیعی و نقش فیزیولوژی هرکدام از این لایه‌ها در حفظ سلامت عروق و بدن، نه تنها به‌صورت بهینه شرایط پیش فرض مربوط به عروق طبیعی را ایجاد می‌کند بلکه ایجاد ساختار لایه‌ای توسط پلیمرهای مختلف با خواص متفاوت می‌تواند منجر به ایجاد حالت ارتجاعی بیشتر و بهتر، کامپلیانس مطلوب و بهبود خواص مکانیکی و بیولوژیکی داربست‌ها گردد.
ب) از طریق استفاده از پلیمرهای آلی وتغییر نوع طراحی، توانایی ایجاد ساختارهای مطلوب که دانسیته، پاسخ ویسکوالاستیک مناسب، خواص نزدیک با عروق طبیعی را ایجاد کند؛ میسر می‌گردد.
ج) استفاده از پلیمرها با خواص کشسانی بالا منجر به افزایش خاصیت ارتجاعی عروق و افزایش کامپلیانس آن و در نتیجه بهبود عملکرد آن می‌گردد.
د) یکی از مشخصه‌های مهم داربست‌های مصنوعی استحکام آنهاست که استفاده از پلیمرها با استحکام بالا مانند پلییک مزیت کلیدی را ایجادمی‌کند. اتیلن ترفتالات (داکرون) سبب کاهش نیروهای سطحی اعمال شده به داربست های رگی و افزایش مقاومت عروق مصنوعی در برابر فشارهای داخلی و فشارهای خارجی و افزایش حد تحمل آنها در برابرفشار ناشی از جریان خون و نخ بخیه (بخیه زدن) می‌گردد.
و) استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر مانند پلی‌کاپرولاکتانو پلی‌گلایکولیک‌اسید با زمان تخریب طولانی سبب ایجاد تخلخل بیشتر در سطح داربست‌های جایگزین شده در بدن گشته و در نتیجه الاستین و کلاژن (ترشح شده توسط سلولهای عضله صاف) بیشتری می‌تواند در تخلخل‌ها و منافذ جای گرفته و درنتیجه آنها کمتر مستعد به ایجاد انسداد می‌گردند، چراکه سازماندهی خوب الاستین و کلاژن در دیواره داربست‌ها باعث افزایش کامپلیانس و انعطاف‌پذیری می‌گردد، علاوه بر این داربست‌های عروقی قابل جذب( جذب شدنی) دامنه تغییرات بافتی بیشتری را در بدن تحمل کرده و به علت از بین رفتنشان اثرات مربوط به واکنش جسم خارجی در بدن را کاهش می‌هند.
ی) استفاده از مواد زیست سازگار و غیرسمی باعث بهبود شیمیایی داربست‌های مصنوعی و بهبودخواص مکانیکی آنها که از الزامات مورد نیاز جهت تولید گرافتهای عروقی ایده آل است می‌گردد.
)