بيوراكتورهاي مهندسی بافت

به وسیله ای که در آن یک فرآیند زیستی یا بیوشیمیایی در شرایط کاملا کنترل شده (از نظر pH، دما، فشار، تامین مواد غذایی و حذف مواد زائد) توسعه می یابد و به دقت پایش می شود بیوراکتور می گویند. از ویژگی های مهم بیوراکتورها تکرارپذیری بالای آنها، کنترل و هدايت خودکار برای یک فرایند زیستی خاص است تا بتوان از کارکرد آنها برای افزایش مقیاس استفاده کرد. بیوراکتورها در فرایند های تخمیر صنعتی، تصفیه پساب، فرآوری مواد غذایی و تولید ترکیبات دارویی و پروتئین های نوترکیب (مثل آنتی بادی، فاکتور رشد، واکسن ها و آنتی بیوتیک ها) استفاده می شوند.

مهندسی بافت علمی است که از  کاربرد مفاهیم و روش های مهندسی و علوم زیستی برای توسعه محصولات زیستی برای ترمیم، پشتیبانی و بهبود عملکرد بافت استفاده می کند. در یکی از کاربرد های معمول، از اجتماع و پیوستگی سلولها بر روی یک داربست (scaffold) متخلخل، بافت با ساختار سه بعدی بوجود می آید که این داربست می تواند برای توسعه یک بافت استفاده شود و یا با سرعتی مشخص جذب و یا تجزیه شود. مهم ترین فاکتورهایی که در کشت بافت اثر گذار است تامین مواد غذایی و نیروهای مکانیکی وارد بر سلول های بافت است که تعیین کننده نوع بیوراکتور کشت بافت است.

مشکلات متداول در بيوراكتورهاي مهندسی بافت

1-    چند سلول برای ایجاد یک عملکرد خاص بواسطه بافت مورد نیاز است؟

2-    چگونه شرایط را مشابه داخل سلول ایجاد کنیم

-         نیازمندی های تغذیه ای

-         نیاز های ساختاری

-         تکیه گاه مناسب مکانیکی و تنش برشی

3-    طراحی و نحوه کارکرد بیوراکتور

4-    افزایش مقیاس و بهره برداری

اهداف استفاده از بیوراکتور ها

·        ایجاد الگو های اختلاط موثر و بذر پاشی یکنواخت فضایی برای داربست های سه بعدی  

·        افزایش انتقال جرم اجزای شیمیایی محیط کشت به درون داربست

·        تحریک فیزیکی (مثلا مکانیکی و هیدرودینامیکی) داربست- سلول طی مراحل رشد و توسعه

جنبه های طراحی راکتورها

·        مقیاس ماکرو (شکل، اندازه، نوع اختلاط )

·        مقیاس میکرو (آنالیز دقیقی از چگونگی انتقال مواد غذایی، حذف ضایعات و سموم (مثل اوره)، ایجاد محیط  برای ساپورت مواد )

·        پارامتر های طراحی راکتور

Ø     هندسه راکتور (شکل و اندازه) که بستگی به نوع عملکرد مورد انتظار دارد،

Ø     جریان خوراک و حذف ضایعات

Ø     کنترل بیوراکتور (T, CO₂, O₂, pH)

Ø     کنترل و پایش عملکرد سلول

عوامل موثر در تفکیک سلولی

از آنجا كه شرايط اعمال شده براي كشت بافت ها بيشتر براي تكثير آنهاست بنابراين سلولها خصوصيات تفكيك يافتگي اوليه خود را از دست مي دهند. عوامل موثر بر تفكيك يافتگي:

·  برهمکنش سلول –سلول

·  برهمکنش های ماتریکس

·  فاکتورهای محلول

·  شکل سلول و جهت گیری سلول

·  تنش های دینامیکی

·  انتقال اکسیژن

مقايسه بيوراكتورها
منهدسي بافت	كشت هاي بزرگ مقياس (صنعتي)
هدف از استفاده از بيوراكتور به استفاده نهايي و نوع بافت بستگي دارد	هدف توليد بيشينه يك محصول است
چندين نوع سلول وجود دارد	يك نوع سلول وجود دارد
بعضا قوانيني براي طراحي وجود دارد ولي بيشتر اين قوانين تك كاره و فاقد عموميت است.	طراحي متناسب با طراحي استاندارد راكتور هاست.
	از يك نوع راكتور مي توان براي كاربرد هاي مختلف استفاده كرد

محرك هاي مكانيكي

فشار هيدرواستاتيكي (فشار يا تنش)، جريان سيال (تنش برشي) محيطي شبيه به داخل سلول را ايجاد مي كند.

مورفولو‍‍‍‍ژي سلولي تحت تاثير قرار مي گيرد

براي توسعه يك بافت بايستي شرايطي مشابه با داخل سلول ايجاد كرد.

انواع بيوراكتور ها براي كاربرد در مهندسي بافت

a) بيوراكتور فلاسكي نخ تاب (Spinner-flask bioreactor) 

براي مقاصد بذر پاشي در داربست هاي 3 بعدي استفاده مي شوند. طي بذر پاشي، سلول ها به سطح و درون داربست ها بواسطه جابجايي منتقل مي شوند. طي كشت، چرخش باعث افزايش انتقال جرم خارجي مي شود ولي توليد توربلانسي و ادي نيز خواهي شد كه براي بافت مخرب است.

b) مخزن با ديواره چرخنده Rotating-wall vessels

محيط ديناميكي با تنش پايين و انتقال جرم بالا فراهم مي كند. ديواره ظرف به صورتي مي چرخد كه نيروهاي درگ و سانتريفيوژي و نيروي وزني با هم به تعادل برسند. كه در نتيجه بافت در محيط كشت معلق مي ماند

c) بيوراكتور با رشته هاي توخالي Hollow-fiber bioreactors

انتقال جرم را طي كشت بهبود  مي دهد و براي سلول هاي حساس و فعال (متابوليكي) مثل هپاتوسيت ها مفيد است. در شكل، سلول ها در ژل داخل فيبر قرار گرفته اند و محيط كشت از سطح خارجي رشته ها به داخل نفوذ مي كند.

d) Direct perfusion bioreactors

محيط كشت از منافذ موجود در داربست عبور مي كند و اين نوع بيوراكتور براي بذر پاشي و يا ايجاد بافت هاي 3 بعدي كارايي دارد. در اين جا به واسطه عبور محيط كشت هم از پيرامون و هم از بين منافذ داربست، انتقال جرم بسيار افزايش مي يابد.

e) بيوراكتوري كه نيروي مكانيكي مشخص (مثل فشار ديناميكي) بر روي سازه هاي طراحي شده وارد مي كند و به عنوان سيستم مدل براي مواردي كه بافت تحت شرايط بار فيزيولوژيكي قرار مي گيرد و براي ساخت بافت هاي پيوندي با عملكرد ويژه به كار مي رود. به عنوان مثال با بررسي كامپيوتري نيروهاي وارده و پاسخ سلولي مي توان از اين داده ها براي بررسي اثر نيروهاي مكانيكي بر روي توسعه بافت ها استفاده كرد و علاوه براين براي پيش بيني پاسخ بافت پيوند زده شده در مقابل نيروهاي فيزيولوژيكي استفاده كرد.

Further reading:

1- C. van Blitterswijk et al., Tissue Engineering, 2008,  elsevier

2- I. Martin et al., The role of bioreactors in tissue engineering, 2004, TRENDS in Biotechnology, Vol.22 No.2

3- R. Lanza et al., Principles of Tissue Engineering 3^rd ed. 2007, elsevier

ادامه مطلب ...