دانشمندان بخش مهندسی دانشگاه کلمبیا یک ژل درمانی تزریقی و فعال زیستی تولید کرده‌اند که از ماست به دست می‌آید. این تیم با استفاده از وزیکول‌های خارج سلولی (EV) موجود در شیر، ماده‌ای نرم ساختند که بافت زنده را شبیه‌سازی کرده و بازسازی طبیعی آن را تقویت می‌کند. این ژل نوآورانه فقط مولکول‌های درمانی را منتقل نمی‌کند؛ بلکه وزیکول‌های خارج سلولی به ساختار خود ژل هم کمک می‌کنند.
در مدل‌های موش، این ژل تشکیل رگ‌های خونی و ترمیم بافت را تقویت کرد و این کار بدون افزودن هیچ ماده شیمیایی اضافی انجام شد. این تحقیق نشان می‌دهد که در آینده، بیوتکنولوژی مبتنی بر مواد غذایی می‌تواند نقش قدرتمندی در ترمیم بدن ایفا کند.
طراحی نسل بعدی هیدروژل‌های فعال زیستی
محققان بخش مهندسی دانشگاه کلمبیا رویکرد جدیدی برای تولید هیدروژل‌های تزریقی و فعال زیستی ابداع کرده‌اند که برای ترمیم بافت و پزشکی ترمیمی طراحی شده‌اند. این ژل‌ها از ذرات طبیعی به نام وزیکول‌های خارج سلولی (EVs) استفاده می‌کنند.
در مطالعه‌ای که در ۲۵ ژوئیه در مجله Matter منتشر شد، سانتیاگو کُریا، استادیار مهندسی پزشکی در بخش مهندسی دانشگاه کلمبیا، و تیم تحقیقاتی او یک سیستم هیدروژل را معرفی کردند که حاوی وزیکول‌های خارج سلولی استخراج‌شده از شیر است. این ذرات ریز، که به طور طبیعی توسط سلول‌ها آزاد می‌شوند، حامل دستورالعمل‌های بیولوژیکی مانند پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی هستند. به همین دلیل، از ارتباطات پیچیده سلولی پشتیبانی می‌کنند که مواد مصنوعی سنتی اغلب در انجام آن ناکام هستند.
نقش دوگانه وزیکول‌های خارج سلولی: ساختار و پیام‌رسانی
در این طرح، وزیکول‌های خارج سلولی دو وظیفه حیاتی دارند. آن‌ها نه تنها به عنوان حامل‌های پیام‌های درمانی عمل می‌کنند، بلکه با پیوند متقاطع با پلیمرهای زیست‌سازگار به تشکیل ساختار خود ژل نیز کمک می‌کنند. برای حل محدودیت‌های رایج در دسترسی به وزیکول‌های خارج سلولی، تیم از وزیکول‌هایی استفاده کردند که منشأ آن‌ها ماست بود. این راه‌حل خلاقانه به آن‌ها کمک کرد تا ژل را در مقادیر بیشتری تولید کنند و در عین حال فعالیت بیولوژیکی آن را حفظ کنند. نتیجه، ماده‌ای نرم بود که هم شبیه به بافت زنده است و هم با سلول‌های اطراف تعامل دارد تا ترمیم را تحریک کند، و همه این کارها بدون استفاده از عوامل شیمیایی اضافی انجام می‌شود.
کُریا، که این مطالعه را با آرتمیس مارگارونیس، پژوهشگر مقطع تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه کُریا، رهبری کرد، می‌گوید:
این پروژه با یک سوال اساسی درباره نحوه ساخت هیدروژل‌های مبتنی بر وزیکول‌های خارج سلولی آغاز شد. وزیکول‌های ماست ابزاری کاربردی برای این کار به ما دادند، اما مشخص شد که آن‌ها چیزی فراتر از یک مدل هستند. ما دریافتیم که آن‌ها پتانسیل ترمیمی ذاتی دارند که دری را به روی مواد درمانی جدید و قابل دسترس باز می‌کند.
همکاری جهانی، پیشگام نوآوری در مواد
کُریا مدیر آزمایشگاه نانومهندسی ایمنی در دانشگاه کلمبیا است، جایی‌که تحقیقات او بر روی انتقال دارو و ایمنی‌درمانی متمرکز است. او همچنین عضو مرکز جامع سرطان هربرت ایروینگ است و در این پروژه با کام لئونگ، یکی دیگر از اعضای هیئت علمی مهندسی کلمبیا، همکاری داشته است. این مطالعه از طریق همکاری بین‌المللی با محققانی از دانشگاه پادووا، از جمله الیسا چیمتا (گروه مهندسی صنعتی) و کاترینا پیونتی، دانشجوی مقطع تحصیلات تکمیلی، تقویت شد. با ترکیب تخصص تیم پادووا در تهیه وزیکول‌های خارج سلولی کشاورزی با تجربه آزمایشگاه کُریا در نانومواد و هیدروژل‌های مبتنی بر پلیمر، این تیم قدرت مشارکت‌های بین‌رشته‌ای و جهانی را در پیشبرد نوآوری در بیومواد نشان داد.
با استفاده از وزیکول‌های خارج سلولی مشتق از ماست، این تیم فضای طراحی را برای تولید هیدروژل‌هایی تعریف کرد که وزیکول‌های خارج سلولی را هم به عنوان عناصر ساختاری و هم به عنوان عناصر بیولوژیکی در خود جای می‌دهند. آن‌ها این رویکرد را با استفاده از وزیکول‌های خارج سلولی مشتق از سلول‌های پستانداران و باکتری‌ها نیز تأیید کردند و نشان دادند که این پلتفرم ماژولار و سازگار با منابع مختلف وزیکول است. این امر می‌تواند راه را برای کاربردهای پیشرفته در بهبود زخم و پزشکی ترمیمی باز کند، جایی‌که درمان‌های فعلی اغلب در تقویت ترمیم طولانی‌مدت بافت ناکام هستند. با ادغام مستقیم وزیکول‌های خارج سلولی در ساختار هیدروژل، این ماده امکان انتقال پایدار پیام‌های فعال زیستی آن‌ها را فراهم می‌کند. از آنجا که این هیدروژل تزریقی است، می‌توان آن را به طور موضعی به بافت آسیب‌دیده رساند.
موفقیت در آزمایشات زنده و پاسخ ایمنی
آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که هیدروژل‌های حاوی وزیکول خارج سلولی ماست با بدن سازگار بوده و فعالیت رگ‌زایی قوی را در عرض یک هفته در موش‌های دارای سیستم ایمنی سالم به دنبال دارند. این امر نشان می‌دهد که وزیکول‌های خارج سلولی کشاورزی نه تنها تحقیقات اساسی در زمینه بیومواد را ممکن می‌سازند، بلکه پتانسیل درمانی به عنوان نسل بعدی بیوتکنولوژی را نیز دارند. در موش‌ها، این ماده هیچ نشانه واکنش نامطلوب نشان نداد و به جای آن، تشکیل رگ‌های خونی جدید را تقویت کرد که یک گام کلیدی در ترمیم موثر بافت است. تیم کُریا همچنین مشاهده کرد که این هیدروژل یک محیط ایمنی منحصربه‌فرد ایجاد می‌کند که غنی از انواع سلول‌های ضدالتهابی است و ممکن است به فرآیندهای ترمیم بافت مشاهده‌شده کمک کند. این تیم اکنون در حال بررسی این موضوع است که چگونه این پاسخ ایمنی می‌تواند به هدایت بازسازی بافت کمک کند.
مارگارونیس می‌گوید:
توانایی طراحی ماده‌ای که به دقت محیط طبیعی بدن را شبیه‌سازی کند و در عین حال روند بهبودی را نیز تسریع بخشد، دنیای جدیدی از امکانات را برای پزشکی ترمیمی باز می‌کند. لحظاتی مانند این به من یادآوری می‌کنند که چرا حوزه تحقیقات در مهندسی پزشکی همیشه در آستانه کشف چیزی هیجان‌انگیز است.
منبع: Scitechdaily
