از ماه آوریل 2020 تاکنون جهان با یک همه‌گیری ویروسی مواجه شده است که عمق اثرات منفی آن هنوز قابل اندازه‌گیری نیست. با شیوع کرونا ویروس جدید (COVID-19) و شدت مرگ‌ومیر مرتبط با آن و همچنین سایر همه‌گیری‌های ویروسی که در قرن 21 رخ دادند مشخص گردید که به استراتژی‌های تشخیصی و درمانی جدیدی برای غلبه بر بیماریهای عفونی نیاز است (1).

مهندسی بافت به عنوان محل تعامل حوزه‌های مختلف علمی معمولاً بر کاربرد اصول مهندسی در سیستم‌های بیولوژیکی، همکاری‌های بین رشته‌ای و انتقال سریع فناوری از آزمایشگاه به کلینیک تمرکز دارد (1و2). مهندسی بافت بطور منحصربفردی برای ارائه راه حل برای مشکلات پیچیده کلینیکی مناسب است و فناوری‌های مبتنی بر آن برای تکامل حوزه‌های مختلف پزشکی توسعه یافته‌اند. مهندسی بافت توانایی بالقوه برای تأثیرگذاری بر دستاوردهای بالینی علیه درگیری‌های ویروسی دارد و در صورت تثبیت شرایط لازم می‌تواند به عنوان یک راهبرد مهم در همه‌گیری‌های ویروسی نقش کلیدی ایفا کند. به کمک مهندسی بافت می‌توان مدل‌هایی ساخت که بطور همزمان توسط متخصصان رشته‌های مختلف پزشکی و غیرپزشکی و خصوصاً در تحقیقات چندرشته‌ای برای مبارزه با ویروس‌ها به کار گرفته شوند. دانش پایه درباره سیستم‌های بیولوژیکی و مهندسی، همکاری تیمی بین دانشمندان و پزشکان و بالاخره تمرکز بر انتقال فناوری از آزمایشگاه به کلینیک سه مهارت و توانایی مطرح در مهندسی بافت هستند که تعامل خوب آنها می‌تواند ابزارهای مهمی را برای مطالعات ویروسی فراهم آورد (1).

1.      ایجاد مدل‌های آزمایشگاهی

دستیابی به بینش جدید در مطالعه ویروس و بیولوژی میزبان با هدف عفونت ویروسی تنها از طریق توسعه سیستم‌های مدل که بتوانند بطور دقیق چرخه حیات ویروس در شرایط درون‌تنی را شبیه‌سازی کنند میسر می‌شود (3). ساخت مدل‌های آزمایشگاهی برای شناسایی مکانیسم‌های اصلی بیماری‌ها می‌تواند به شناسایی بیومارکرهای لازم برای شناسایی و پیش‌بینی بیماری‌ها منجر شود و تشخیص اولیه را آسان سازد. شناسایی و درک بهتر فصل مشترک میزبان-پاتوژن و مکانیسم عفونت‌زایی و استفاده به عنوان پلتفرم غربالگری با توان بالا برای ارزیابی درمان‌های بالقوه و انتخاب داروها از جمله نقش‌های مهم چنین مدل‌هایی هستند (1). مدل‌های کشت بافت استاندارد از فقدان ویژگی‌های ضروری مربوط به سازماندهی سلولی و عملکرد شبه درون‌تنی رنج می‌برند و مدل‌های حیوانی نیز دچار حساسیت محدود نسبت به ویروس‌های انسانی هستند که دستکاری دقیق مولکولی و انالیز داده‌ها را سخت می‌کند (3). در واقع، روش‌های کشت رایج نمی‌توانند ساختارهای اختصاصی بافت را که در ارگان‌های انسانی زنده دیده می‌شوند بوجود آورند (2). تکنیک‌های مهندسی بافت ویروس شناسان را قادر می‌سازد تا مدل هایی را بسازند که دستکاری و پردازش اطلاعات راحت در کشت بافت را با پیچیدگی‌های مدل‌های حیوانی ترکیب کنند. مدل‌های کشت سلولی عفونت‌های ویروسی به یک نوع سلول محدود می‌شوند در حالیکه اکثر عفونت‌های ویروسی در شرایط درون‌تنی شامل چندین نوع سلول می‌شوند (3). کشت دادن تک لایه و ایستای سلول Veroاستاندارد طلایی کنونی برای ارزیابی درمان‌های ضدویروسی است. چون این سلول‌ها فاقد اینترفرون هستند حساسیت زیادی به آلودگی با ویروسها دارند اما اینترفرون یک تنظیم کننده مهم برای پروتئین‌های متصل شونده میزبان هستند که در عفونت ویروسی COVID-19درگیر می‌شوند. لذا، بطور کلی توانایی داروهای مهارکننده عفونت ویروسی سلول فاقد اینترفرون مشکوک است (1). توانایی مهندسی بافت در ساخت داربست‌های سه بعدی حاوی سلول‌های انسانی برای مدل‌سازی دقیق مورفولوژی بافت هدف و شبیه‌سازی شرایط پاتوفیزیولوژی پیچیده توانسته است در بررسی مواجهه سلول‌ها با سیگنال‌های التهابی یا مطالعه عملکرد ویروس‌ها نتایج خوبی را به ارمغان بیاورد (4). رویکردهای مهندسی بافت قابلیت دربرگرفتن تنوع سلولی و برهمکنش‌های بین آنها را دارند چرا که این برهمکنش‌ها در بروز یک عفونت ویروسی خاص اهمیت پیدا می‌کنند. علاوه بر برهمکنش‌های سلول-سلول، مهندسی بافت می‌تواند راهی را برای بررسی برهمکنش میزبان-پاتوژن بگشاید. کنترل زیاد بر شیمی مواد و فرایندهای تولید امکان مهندسی فصل مشترک را فراهم می‌آورد بطوری که بتوان انواع بافت‌های مهندسی شده مختلف را به خوبی به یکدیگر متصل کرد که در مطالعه ویروس هایی که بر اجزای چندبافتی اثر می‌گذارند اهمیت پیدا می‌کند. تغییرات فضایی فنوتیپ‌های سلولی درون بافت نیز بر عفونت ویروسی مؤثر است. قرار دادن سلول‌ها در بخش‌های خاص از طریق تکنیک‌های مهندسی بافت می‌تواند برای شناسایی و درک عفونت‌زایی ویروس آنفلوانزا مفید باشد (3).

2.      توسعه سیستم‌های دارورسانی

طی همه‌گیری COVID-19، نیاز به بستری شدن بیماران در بخش‌های عمومی و ICUیکی از فشارهای وارد شده به سیستم بهداشتی-درمانی کشورها بوده است. در حال حاضر، علی‌رغم غربالگری داروهای مختلف به صورت آزمایشگاهی، درمان‌های محدودی با مستندات کلینیکی روشن درباره توانایی آنها در بهبود نتایج درمانی مثل کاهش تعداد روز لازم برای بستری در بیمارستان، بستری در ICUو استفده از لوله‌گذاری و دستگاه اکسیژن‌رسان وجود دارد. با گسترش درمان‌های مبتنی بر ریزمولکول‌های جدید، مهندسان بافت می‌توانند سیستم‌های دارورسانی را برای دستیابی به درمان‌های هدفمند اختصاصی ارگان‌ها، افزایش فراهمی‌زیستی (1) و افزایش بازه رهایش دارو و عدم نیاز به تجویز و مصرف مکرر دارو (2) توسعه دهند. داروهای ریزمولکول با کاربرد جدید، مونوکلونال آنتی‌بادی‌ها و استراتژی‌های اولیگونوکلئوتیدی از جمله درمان‌های مولکولی پیشنهاد شده هستند (1).

3.      پلتفرم تولید و ارزیابی واکسن

امکان استفاده از واکسیناسیون علیه پاتوژن‌های خاص نقش مهمی در طب پیشگیری در قرن اخیر داشته است. واکسن‌ها هم برای ویروس‌ها و هم باکتری‌های سیستم تنفسی وجود دارند (1) و در مورد COVID-19نیز کارهایی برای تولید واکسنی مؤثر در پیشگیری از بیماری و کاهش انتقال ویروس در حال انجام است (5). واکسیناسیون موفق علیه پاتوژن‌ها نیازمند عرضه آنتی‌ژن‌ها و تحریک اجزای خاص سیستم ایمنی برای شناسایی و ایجاد حافظه در هر دو شاخه ایمنی سلولی و هومورال است. با پیشرفت‌هایی که در ایمونولوژی اتفاق افتاده است، بیومواد و مهندسی بافت می‌توانند در ایجاد پاسخ‌های ایمنی اختصاصی در میزبان و در نتیجه تقویت و حمایت از استراتژی‌های واکسیناسیون به کار گرفته شوند (1). تکنولوژی‌های مهندسی بافت امکان تکامل نسل بعدی سیستم‌های دارورسانی را فراهم می‌آورند و تولید و انتقال واکسن را تسهیل می‌کنند (2). در بسیاری از این سیستم‌ها، بیومواد به عنوان حامل دارورسان برای واکسن و ادجوانت عمل می‌کنند (1و2) و اثر مشخصات ساختاری و فیزیکی-شیمیایی آنها بر رفتار سلول‌های ایمنی نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف بیشتر سیستم‌ها این است تا سلول‌های پردازشگر آنتی‌ژن مانند ماکروفاژها و سلول‌های دندریتی را تحت تأثیر قرار دهند و پاسخ‌های اختصاصی را برانگیزانند. ‌اگرچه در حال حاضر مطالعات کمی مرتبط با واکسن‌های کروناویروس انجام شده است اما استفاده از نانوذرات حاوی سکانس پپتیدی SARS-CoV-1در مدل‌های موشی موفقیت هایی به همراه داشته است و سرم‌های تولید شده پس از به کارگیری آنها باعث پیشگیری موفق از عفونت در سلول‌های Veroشده است. علاوه بر پلتفرم‌های مبتنی بر ذرات مختلف، استراتژی‌های مهندسی بافت نیز برای ساخت سیستم‌های داربست برای بهبود واکسیناسیون استفاده شده اند. هر دو سیستم واکسن مبتنی بر ذرات و داربست می‌تواند برای مقابله با COVID-19نیز امیدوارکننده باشند لیکن بیشتر تحقیقات تاکنون در مدل‌های موشی انجام شده است و تلاش بیشتر برای انجام کارازمایی بالینی لازم است. پلتفرم‌های مدولار که چندین آنتی‌ژن در آنها گنجانده می‌شود نیز می‌توانند برای توسعه سریع واکسن‌ها در همه‌گیری‌های آینده بسیار مفید باشند (1).

 

1. A.M. Tatara. Role of Tissue Engineering in COVID-19 and Future Viral Outbreaks. Tissue Engineering Part A. (2020) 26:468–474. DOI: 10.1089/ten.tea.2020.0094.

2. A Shafiee et al. Coronavirus disease 2019: A tissue engineering and regenerative medicine perspective. Tissue Engineering and Regenerative Medicine (2020). DOI: 10.1002/sctm.20-0197.

3. V. Ramanan et al. New Methods in Tissue Engineering: Improved Models for Viral Infection .Annual Review of Virology (2014) 1:475–499. DOI: 10.1146/annurev-virology-031413-085437.

4. A.J. Miller et al. In Vitro Models to Study Human Lung Development, Disease and Homeostasis. Physiology (2017) 32: 246–260. DOI:10.1152/physiol.00041.2016.

5. W.H. Chen et al. The SARS-CoV-2 Vaccine Pipeline: an Overview. Current Tropical Medicine Reports (2020) 7: 61–64. DOI: 10.1007/s40475-020-00201-6.