آسیب‌های نخاعی (SCI) که در اثر برخورد نیروی خارجی ایجاد می‌شود، معمولاً انتقال سیگنال بین سیستم عصبی محیطی و مغز را از بین می‌برد و در نتیجه فرد عملکرد حرکتی و حسی خود را از دست می‌دهد. به دلیل فقدان روش درمانی بالینی موثر، SCI اغلب منجر به ناتوانی مادام‌العمر بیمار می‌شود که بار عظیمی را برای خانواده و جامعه به همراه دارد. در سال‌های اخیر، محققان کشف کرده‌اند که سلول‌های بنیادی عصبی (NSCs) پتانسیل تمایز به نورون‌ها و متعاقباً ایجاد سیناپس برای ایجاد ارتباط عصبی با مدار میزبان را دارند که منجر به بهبود ترمیم SCI می‌شود. اگرچه پس از آسیب نخاعی (SCI)، سلول‌های بنیادی عصبی در نزدیکی محل آسیب‌دیده فعال می‌شوند، اما تعداد کمی از NSCها به مرکز آسیب مهاجرت کرده و به نورون‌ها تمایز می‌یابند. علت این امر ترشح گونه‌های فعال نیتروژن/اکسیژن (RNS/ROS) در محل ضایعه می‌باشد. علاوه بر این انتشار عناصر فعال به ویژه پراکسی نیتریت با تخریب ساختار و عملکرد پروتئین، باعث آسیب به سلول و مرگ سلولی می‌شود. پردنیزولون، پورفیرین و تیریلازاد از جمله موادی است که برای مهار اثر اکسیداسیون ناشی از SCI استفاده می‌شود. که در میان آن‌ها متالوپورفیرین منگنز III تتراکیس (۴-بنزوئیک اسید) پورفیرین (MnTBAP) قادر است به طور موثری تعداد زیادی از مواد فعال تولید شده در مرحله اولیه SCI را از بین ببرد و فعالیت NSCهای را بهبود بخشد. با این حال، استفاده از MnTBAP به عنوان یک درمان در آسیب‌های نخاعی با محدودیت‌هایی از جمله تجمع کم در محل آسیب و پنجره درمانی کوتاه مدت، محدود شده است. معمولا، MnTBAP اغلب به صورت سیستمیک تزریق می شود، که متمرکز کردن آن در محل ضایعه دشوار است و ممکن است باعث ایجاد سمیت بیولوژیکی در سراسر بدن شود. علاوه بر این، تزریق باید در عرض ۸ ساعت پس از آسیب انجام شود. واضح است که تجمع و آزادسازی سریع MnTBAP در ضایعات در مرحله اولیه آسیب برای کاهش استرس اکسیداتیو در محل‌های SCI اهمیت زیادی دارد. با این وجود، صرفاً تعدیل شرایط اکسیداتیو محل آسیب دیده برای دستیابی به نتایج مورد نظر کافی نیست. به دلیل فقدان مواد بیولوژیکی که حفاظت فیزیکی و سیگنال‌های بیولوژیکی را فراهم می‌کنند، NSCها معمولاً به جای نورون‌ها مستعد تمایز به آستروسیت‌ها هستند. بر طبق مطالعات انجام شده استفاده از هیدروژل‌های حامل فاکتورهای زیستی می‌تواند عملکرد NSCهای درون‌زا را افزایش دهد. مهمتر از آن، می‌توان از داربست‌های هیدروژلی سه بعدی به عنوان یک حامل کارآمد برای بارگذاری و رهاسازی سریع مولکول‌های فعال، مانند MnTBAP، در ناحیه آسیب دیده استفاده کرد. اخیرا محققان از تکنیک چاپ زیستی برای پرینت یک ساختار هیدروژلی هم محور برای درمان آسیب‌های نخاعی استفاده کرده‌اند. این ساختار با کپسوله کردن یک هیدروژل دوگانه متشکل از مشتقات هیالورانیک اسید و سدیم آلژینات اصلاح شده با N-Cadherin (لایه داخلی) در یک هیدروژل حساس به دما از جنس ژلاتین/نانوفیبر سلولز (لایه خارجی) به دست می‌آید (تصویر ۱). با تخریب لایه‌ی بیرونی، سریعا فاکتور فعال متالوپورفیرین که در لایه‌ی خارجی بارگذاری شده است، آزاد می‎‌شود تا با مهار استرس ناشی از اکسیداتیو اولیه‌ در محل ضایعه، از سلول‌های NSCs محافظت کند. این در حالیست که هیدروژل داخلی با پشتیبانی مکانیکی مناسب، ساختار توپولوژی خطی و فاکتورهای زیستی فعال، مهاجرت و تمایز NSCsها در مراحل بعدی درمان را تسهیل می‌کند. این مطالعه یک راهکار نوآورانه در ساخت داربست‌های بازسازی عصب ارائه می‌دهد که پتانسیل درمان بالینی در آسیب‌های نخاعی دارد.

تصویر ۱) تصویر شماتیک از پرینت سه بعدی هم محور داربست هیدروژلی در درمان SCI . هیدروژل پوسته از یک هیدروژل حساس به دما از جنس ژلاتین/نانوفیبر سلولز حامل ملکول MTBAP و هیدروژل هسته از مشتقات هیالورانیک اسید و سدیم آلژینات اصلاح شده با N-Cadherin تشکیل شده است.

نتایج حاصل از این مطالعه حاکی از آن است که هیدروژل ساخته شده از زیست‌سازگاری خوبی برخوردار است و سرعت تخریب کند و استحکام مکانیکی مناسب آن محیط مناسبی را برای مهاجرت و تمایز سلول‌های NSCs فراهم می‌آورد. به منظور بررسی عملکرد داربست طراحی شده، مطالعه درون‌تنی در موش انجام شد. با توجه به نتایج این بخش استفاده از داربست هیدروژلی حامل ملکول‌های فعال N-Cad و MTBAP در مقایسه با گروه شاهد و گروه هیدروژلی فاقد ملکول‌های فعال نه تنها منجر به مهاجرت بیشتر NSCها در محل آسیب دیده می‌شود، بلکه بازسازی عصبی آنها را نیز ارتقا می‌دهد. حرکت اندام عقبی موش‌ها با مقیاس Basso – Beattie -Bresnahan  (BBB)  ارزیابی شد. این آزمایش یک بار در هفته به مدت ۳ ماه پس از کاشت انجام شد. به طوریکه موش‌ها در یک منطقه باز قرار گرفتند و بهبودی پس از آسیب به صورت کیفی با مشاهده توانایی حرکتی و درجه خم شدن اندام‌های عقبی ارزیابی شد. قدرت و ریکاوری عضلات اندام‌های عقبی به روش صفحه مایل اندازه گیری شد. به طوریکه، موش‌ها پس از کاشت بر روی یک صفحه شیبدار با سطح لاستیکی مخصوص قرار گرفتند. و موش‌هایی که توانستند بیش از ۵ ثانیه روی صفحه شیبدار بمانند موفق تلقی شدند. پس از هر موفقیت، زاویه شیب صفحه شیبدار ۵ درجه افزایش یافت تا زمانی که موش نتواند روی صفحه شیبدار بایستد و حداکثر زاویه شیب ثبت شد. هر موش سه بار مورد آزمایش قرار گرفت (تصویر ۲).

تصویر ۲) الف) تصاویری از کاشت داربست هیدروژلی در محل آسیب دیده نخاع موش. ب) عکس‌های خم شدن اندام‌های عقبی (hind limbs) موش‌های SCI در سه گروه پس از ۱۲ هفته کاشت. (ج) نتایج آزمون BBB موش‌ها در سه گروه (د) حداکثر زوایایی که موش ها در هر گروه حفظ کردند با آزمایش صفحه مایل پس از ۱۲ هفته کاشت تعیین شد. ∗∗∗p < 0.001.

به طور کلی، استفاده از داربست پرینت شده به روش هم‌محور با انتشار سریع ملکول‌های MnTBAP از لایه‌ی بیرونی داربست، عناصر   ROS و RNS که ابتدا در محل آسیب تولید می‌شوند را مهار کرده و یک ریزمحیط مطلوب برای رشد NSCها را ایجاد می‌کند. از سوی دیگر، لایه هیدروژل داخلی اصلاح شده N-Cad به عنوان یک بستر برای القای چسبندگی، مهاجرت و تمایز عصبی NSCs در مراحل بعدی عمل می‌کند. علاوه بر این، داربست با توپولوژی خطی منظم مسیرهای رشد و تمایز نورون‌ها را هدایت کرده و بلوغ بافت را ارتقا می‌دهد. یقیناً پشتیبانی مکانیکی پایدار، اندازه منافذ مناسب و سرعت کند تخریب لایه داخلی نیز نقش مهمی در ترمیم محل‌ ضایعه ایفا می‌کند.

منبع:

Li, Yuxuan, et al. “Coaxial 3D printing of hierarchical structured hydrogel scaffolds for on-demand repair of spinal cord injury.” Acta Biomaterialia ۱۶۸ (۲۰۲۳): ۴۰۰-۴۱۵٫