هلام مائي (هيدروجيل) قائم على البوليمر الحيوي مع زجاج نشط حيويًا يعمل أمينيًا لتجديد متسارع للعظام – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي
A biopolymer hydrogel with amino-functionalized bioactive glass for accelerated bone regeneration
(Thamarasee Jeewandara – بقلم: ثاماراسي جيواندارا)
ملخص المقالة:
تشكل الهلامياتُ المائيةُ موادًا واعدةً لتجديد العظام، رغم ان تطبيقاتها محدودة حاليًا بسبب ضعف التوافق بين المراحل العضوية وغير العضوية. وقد شكَّل فريق بحثي في الطب، في شنغهاي الصين، الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة مع تحسين التوافق البيني، حيث أدخلوا زجاجًا نشطًا حيويًا أمينيًا إلى مصفوفة علكة ألجينات/جيلان، وأظهر هذا الهلام المائي بنية مسامية أكثر اتساقا وقوة ضغط مثالية. وقام الفريق بزرع هذا الهلام في جمجمة فأر معيوبة، ولاحظوا استجابة التهابية عند الزرع وزيادة التعبير عن الخلايا الجذعية لنخاع العظام في موقع العيب، وكان واضحًا تعزيز المواد الحيوية المتنوعة القدرةَ على تجديد العظام.
( المقالة )
تحضير وتطبيق طبي حيوي للهلاميات المائية. تم تصنيع الهيدروجيل (الهلام المائي) المقوى بالكهرباء الساكنة (كهروستاتيكيًا) (electrostatically reinforced hydrogel (abbreviated CAG)) عن طريق تشكيل تفاعل كهروستاتيكي بين الزجاج النشط حيويًا المعدل أمينيًا (amino-modified bioactive glass(NBG)) وعلكة الجيلان الأنيونية (anionic gellan gum (AG)). تم الحصول على الزجاج النشط حيويًا (bioactive glass (BAG)) ببساطة عن طريق خلط مكون علكة الجيلان الانيونية و الزجاج النشط حيويًا غير الوظيفي (nonfunctionalized bioactive glass (BG)). تم استخدام نموذج عيب عظم جمجمة الجرذان للكشف عن التوافق الحيوي والنشاط العظمي للهلاميات المائية. أظهرت الخلايا في الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة انتشارا مفضلا للخلايا، في حين لم يلاحظ وجود خلية زائفة واضحة في الزجاج النشط حيويًا. علاوة على ذلك، تم تعزيز تجديد العظام أيضا في الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة مقارنة بالتصوير المقطعي المحوسب الصغير (μCT) للزجاج النشط حيويًا. المصدر: نشرة “تطورات العلوم” (Science Advances)، 10.1126/sciadv.abj7857
يمكن أن تتضمن الهلامياتُ المائيةُ المركبةُ البوليمراتِ الطبيعيةَ والزجاجَ النشط حيويًا كمواد واعدة لتجديد العظام. ومع ذلك، فإن تطبيقات هذه التركيبات محدودة بسبب ضعف التوافق بين المراحل العضوية وغير العضوية. وفي دراسة جديدة نشرت الآن (17 ديسمبر 2021) في نشرة “تطورات العلوم” (Science (Advances، شكَّل اكسينكسين دينغ (Xinxin Ding) وفريق بحثي في الطب، في شنغهاي الصين، الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة (إلكتروستاتيكيا) [١] مع تحسين التوافق البيني.
ولتحقيق ذلك، أدخلوا زجاجًا نشطًا حيويًا أمينيًا إلى مصفوفة علكة ألجينات [٢] (alginate)/ جيلان [٣] (gellan). وعند مقارنته بالزجاج النشط حيويًا، أظهر الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة بنية مسامية أكثر اتساقا بحجم مسام يبلغ 200 نانومتر وقوة ضغط مثالية تبلغ 66 كيلو باسكال. وباستخدام الهلام المائي المقوى، طور الفريق انتقال النمط الظاهري للبلاعم [٤] وقام بتنظيم التعبير الجيني العظمي للخلايا الجذعية. وأظهروا كيف تم تسريع تكوين العظم الجديد أيضا في الجسم الحي مع تعزيز المعادن الحيوية للهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة، مع التوافق الحيوي المناسب بشكل مثالي لتجديد العظام.
تجديد العظام في العيادة
في هذه الدراسة، طور دينغ وآخرون الهلاميات المائية الهجينة من خلال إنشاء روابط بين المراحل المختلفة. وتحدث عيوب العظام عادة في المرضى الذين يعانون من صدمة شديدة والتهاب العظم وتشوهات العظام الأخرى التي يكون إصلاحها مكلفا بشكل متزايد. ولا تزال طرق إصلاح العظام بكفاءة تشكل تحديا للأطباء، وبالتالي أدى التقدم في علوم المواد إلى تطوير مواد حيوية جديدة لتعزيز طرق تجديد العظام.
وقد طور الباحثون هلاميات مائية طبيعية قائمة على البوليمر الحيوي مع توافق حيوي متميز وقابلية للتحلل الحيوي. ومن بين البوليمرات الطبيعية المختلفة، تظهر علكة ألجينات وجيلان إمكانات للتطبيقات الطبية، لأنها مجدية اقتصاديا ويمكن تبلورها بسهولة باستخدام أيونات الكالسيوم.
ويمكن للهلاميات المائية المصنوعة من علكة جيلان أيضا أن تحفز تكوين العظام المُرْضِي مع تشابه هيكلي مسامي مع أنسجة العظام الطبيعية لتعلق الخلايا والتمايز العظمي. وعلى الرغم من الطرق الحالية، فإن الخواص الميكانيكية للهلاميات المائية النقية غير كافية لإصلاح عيوب العظام في الجسم الحي. ونظرا لأنه من المعقد تصنيع (تخليق) الهجينة مع الروابط البينية التساهمية بين المراحل المختلفة، فإن الروابط المتقاطعة غير التساهمية هي طريقة أكثر عملية للتطبيقات الطبية.
التحليل الهيكلي للهلاميات المائية المركبة. (A) مخطط إعداد الزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. ” أيه پي تي إم إس” (APTMS)، (3-أمينوبروبيل) تريميثوكسيسيلان ((3-aminopropyl) trimethoxysilane). (B) أطياف التحليل الطيفي الضوئي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية عالية الدقة لمكونات النيتروجين منزوعة الانحلال (N1s) في جسيمات الزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا. وحدات تعسفية. (C) إمكانات “زيتا” (Zeta) لعلكة جيلان الأنيونية والزجاج النشط حيويا غير الوظيفي والزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا. (D) فورييه يحول أطياف الأشعة تحت الحمراء من علكة جيلان الأنيونية والزجاج النشط حيويا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. (E) أنماط حيود الأشعة السينية من علكة جيلان الأنيونية، الزجاج النشط حيويا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. (F) مسح صورة المجهر الإلكتروني للزجاج النشط بيولوجيا غير الوظيفي. (G) صورة المجهر الإلكتروني للزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا المركب. المصدر: Science Advances, 10.1126/sciadv.abj7857
تطوير هلام مائي هجين جديد
وطور الفريق هلاما مائيا مقوى بالكهرباء الساكنة مصنوعا من الزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا وعلكة جيلان الأنيونية. وقد حسنوا التوافق بين الوجه من خلال تشكيل تفاعلات بالكهرباء الساكنة بين المراحل العضوية وغير العضوية. ولتحسين شبكة ألجيلات الهلامية للهلاميات المائية، استخدم دينغ وآخرون أيونات الكالسيوم للربط المتقاطع الأيوني.
وكعنصر تحكم، طور دينغ وآخرون نوعا من الزجاج النشط بيولوجيا عن طريق خلط الزجاج النشط بيولوجيا غير الوظيفي وعلكة جيلان. ويهدف الباحثون إلى إنشاء شبكة هلاميات مائية ذاتية التجميع من الهلاميات المائية مع تعزيز القدرة على ترقق القص والشفاء الذاتي. وكانوا يهدفون إلى تشكيل الهلاميات المائية مع التفاعلات بالكهرباء الساكنة بين المركبات المكونة، وتوصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهلاميات المائية والتحقيق في القدرة على تجديد العظام للهلاميات المائية المتنوعة.
وأعد الفريق الزجاج النشط بيولوجيا المعدل أمينيا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة عن طريق خلط المكونات فيزيائيا، يليه التحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية واختبار “زيتا” المحتمل للتحقيق في التفاعلات بالكهرباء الساكنة في الهلاميات المائية وتحديد المجموعات الأمينية المطعمة على الزجاج النشط بيولوجيا المعدل أمينيا.
صور مقطعية للهلاميات المائية المختلفة باستخدام تحليل المجهر الإلكتروني. (من A إلى C) صور المجهر الالكترونيلعلكة جيلان الانيونية والزجاج النشط حيويا والزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. (من D الى F) صور مكبرة لعلكة جيلان الانيونية والزجاج النشط حيويا والزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. تشير الأسهم البيضاء في (E) و (F) إلى جسيمات الزجاج النشط حيويا غير الوظيفي والزجاج النشط حيويا المعطل أمينيا على سطح الهلام المائي. المصدر: Science Advances, 10.1126/sciadv.abj7857
تحليل بنية الهلام المائي
باستخدام أطياف “فورييه” التمثيلية لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR)، قام الفريق بعد ذلك بتحليل الأنواع الثلاثة من المواد. وباستخدام مقاييس حيود الأشعة السينية، فهموا واكتشفوا المراحل البلورية المحتملة في الهلاميات المائية. وقد درس دينغ وآخرون بعد ذلك تأثير الجسيمات على البنية المجهرية للهلام المائي، واكتشفوا مورفولوجيا الزجاج النشط حيويا والزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا عن طريق مسح المجهر الإلكتروني.
وعزا العلماء وجود جسيمات الزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا متجانسة إلى الطريقة الاصطناعية وقاموا بعد ذلك بتحليل مورفولوجيا البنية المجهرية للهلاميات المائية من خلال الكشف عن الصور المقطعية المستعرضة باستخدام المجهر الالكتروني، حيث كانت الأسطح المسامية لعلكة جيلان ناعمة.
وفي الوقت نفسه، أثر دمج الجسيمات غير العضوية بشكل كبير على التشكل الهيكلي للمواد الحيوية. ولاحظ الفريق أيضا نفس البنية المسامية ثلاثية الأبعاد للزجاج النشط حيويا (النوع الجديد من التحكم في الزجاج النشط حيويا) والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهلاميات المائية المتنوعة
نظرا لأن الهلاميات المائية معروفة بخاصية تصخمها؛ وهي واحدة من أهم الخصائص الفيزيائية للمادة، فقد عززت الهلاميات المائية المتورمة تبادل المواد عن طريق امتصاص العناصر الغذائية من البيئة الخارجية. من خلال دمج الزجاج النشط بيولوجيا في هذا العمل، قلل دينغ وآخرون بشكل كبير من نسبة تضخم الزجاج النشط حيويا الجديد بالمقارنة مع علكة جيلان.
وسمحت خصائص احتباس السوائل للمادة بتسلل الخلايا إلى سقالات، وسهلت نقل المغذيات بكفاءة بين المصفوفة خارج الخلية والهلام المائي. وعند الزرع في الجسم الحي، تمكنت الخلايا المغلفة من النمو بشكل جيد في بيئة غنية بالمغذيات. ومع ذلك، بما أن الهلام المائي يتحلل عادة بعد الزرع في جسم الإنسان، حيث يمكن أن تتحلل السقالات بمعدل مماثل لتجديد الأنسجة.
ودرس العلماء سلوك تدهور الهلاميات المائية من خلال اكتشاف التغير في وزن الهلام في الوقت المناسب. وسمح معدل التحلل المستقر للمادة الحيوية للهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة بالاحتفاظ بها في الفضاء العظمي لفترة طويلة بعد الزرع مع فوائد تكوين العظام. وقام الباحثون بالإضافة إلى ذلك بالتحقيق في الخواص الميكانيكية للهلام المائي عن طريق الريولوجيا وتجارب قوة الضغط.
التمايز العظمي للخلايا النجمية لنخاع العظام (BMSCs) المستزرعة على الهلاميات المائية. (A) صور المجهر الضوئي بالليزر متحد البؤر (CLSM) للخلايا المستزرعة لمدة 24 ساعة [(أ) التحكم، (ب) علكة جيلان الانيونية، (ج) الزجاج النشط حيويا ، و(د) الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة]. (B) فحص مجموعة عد الخلايا-8 (CCK-8) للخلايا المستزرعة لمدة 1 و3 و7 أيام. **P <0.01 *** P <0.001. (C) هجرة التمايز العظمي للخلايا النجمية لنخاع العظام في فحص ترانسويل.(أ) السيطرة، (ب) الزجاج النشط حيويا و(ج) الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة. (D) عدد التمايز العظمي للخلايا النجمية لنخاع العظام المهاجرة التي تم تطبيعها إلى مجموعة مراقبة. (E) تلطيخ الفوسفاتيز القلوي للخلايا المستزرعة لمدة 7 أيام. تظهر صور (E) نفس شريط المقياس البالغ 500 ميكرومتر. (F) تلطيخ أليزارين الأحمر (ARS) للخلايا المستزرعة لمدة 21 يوما. تظهر صور (F) نفس شريط المقياس البالغ 1 مم. (G) نشاط ALP للخلايا المستزرعة لمدة 3 و7 أيام. (H) التحليل الكمي لتمعدن الخلايا لمدة 21 يوما. (I وJ) التعبير الجيني العظمي للتمايز العظمي للخلايا النجمية لنخاع العظام المستزرع مع الهلاميات المائية المختلفة لمدة 7 أيام (I) و14 يوما (J). ملاحظة: عامل النسخ المرتبط بالرونت 2 (RUNX2)، ونشاط الفوسفاتيز القلوي، والكولاجين من النوع الأول (COL-1)، والأوستيوكالسين (OCN). كان التعبير الجيني العظمي للخلايا المستزرعة على علكة جيلان الأنيونية بمثابة معاير. * يشير إلى اختلاف ذي دلالة إحصائية (P <0.05) بين المجموعات. المصدر: Science Advances, 10.1126/sciadv.abj7857
الاستجابة المناعية والتمايز العظمي للخلايا على المواد الحيوية في المختبرويراقب علماء المواد بعناية معظم المواد البديلة الجديدة للعظام للاستجابات المناعية في موقع العيب. هنا، قام دينغ وآخرون بالتحقيق في قدرة هجرة الخلايا والتعبير الجيني الالتهابي لتحديد الاستجابة المناعية بعد العلاج الهيدروجيلي. أظهرت كل من المواد الحيوية للزجاج النشط حيويا والهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة تحسنا في هجرة الخلايا بالمقارنة مع الضوابط الأخرى وأشارت إلى تحريض ناجح للاستجابات المناعية.
لفهم التوافق الحيوي للخلايا بعد ذلك، استوفى الفريق معلمات مورفولوجيا الخلية والهجرة على الهلاميات المائية لتجديد الأنسجة في وقت مبكر. لتحقيق ذلك، استخدموا الخلايا الجذعية لنخاع عظم الفئران واستزرعوها على المواد الحيوية. ساعدت المواد الحيوية الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة على ربط الخلايا وانتشارها، في حين مكنت المجموعات الأمينية على سطح الزجاج النشط حيويا المعدل أمينيا من امتصاص البروتين لهجرة الخلايا، في حين أن الزجاج النشط حيويا لم تظهر مدى ملاءمتها لالتصاق الخلايا.
تكوين العظام حديثا في نموذج عيب عظم الجمجمة الجرذان. (A) صور التصوير المقطعي المحوسب الصغير لعينات كالفاريا، (A، a إلى d) عينات من مجموعة ما بعد الجراحة لمدة أسبوعين. (A، من e إلى d) عينات من مجموعة ما بعد الجراحة لمدة 8 أسابيع. تظهر صور (A) (a إلى h) نفس شريط المقياس البالغ 1 مم. (B) التحليل الكمي لتشكيل العظام حديثا في الأسبوعين والثامنة. ملاحظات: حجم العظام / حجم الأنسجة (BV / TV)، وكثافة نخاع العظام (BMD)، وسمك التربيق (Tb.Th)، ومؤشر نموذج الهيكل (SMI). *P <0.05، **P <0.01. (C) تلطيخ الفلورسنت المتسلسل التمثيلي للأحمر الأليزارين والتتراسيكلين والكالسين في 1 و3 و5 أسابيع. (C a إلى p) تشترك الصور في نفس شريط المقياس البالغ 250 ميكرون. (D) تلطيخ حمض الهيدروليك والإيثانول ماسون ثلاثي الألوان للعينات في 8 أسابيع ، ظهر تلطيخ حمض الهيدروليك والإيثانول في (D) (a, c, e & g) وتلطيخ ماسون ثلاثي الكروم في (D) (b ، d ، f ، و h). تعرض صور (D) (a to h)نفس شريط المقياس البالغ 1 مم. تشير الأسهم السوداء في الشكل إلى المنطقة الممعدنة. المصدر: Science Advances, 10.1126/sciadv.abj7857
التوقعات – إمكانات تكوين العظام للهلاميات المائية في الجسم الحي
بالنظر إلى الأداء العظمي المعزز للهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة، قام الفريق بعد ذلك بالتحقيق في المادة في نموذج عيب جمجمة الجرذان للكشف عن القدرة على تجديد العظام للهلاميات المائية في الجسم الحي. ولاحظوا استجابة التهابية عند الزرع، مما أدى إلى تجنيد عدد كبير من البلاعم في موقع العيب. ولاحظ دينغ وآخرون أيضا زيادة التعبير عن الخلايا الجذعية لنخاع العظام في موقع العيب، وذلك باستخدام الكيمياء النسيجية المناعية ونسبوا تعزيز تجنيد الخلايا إلى مورفولوجيا الهلام المائي المقوى بالكهرباء الساكنة، التي تحتوي على مسام أكبر نسبيا لتسهيل تجنيد الخلايا ونمو العظام في موقع العيب، من أجل تسريع إصلاح العظام.
وتضمن المزيد من الدراسات طرق التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة وتلطيخ الأنسجة، إلى جانب وضع العلامات الفلورية المتسلسلة لفهم تجديد العظام بين المواد الحيوية المتنوعة. وبهذه الطريقة، أظهر شينشين دينغ وزملاؤه كيف ساهم تحسين التوافق الحيوي بين المراحل المختلفة في تحسين الهلاميات المائية المركبة. وعززت المواد الحيوية المتنوعة القدرة على تجديد العظام وقدمت نهجا مناسبا لتطوير هلامية مائية مركبة جديدة يمكن ترجمتها للتطبيقات الطبية.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-12-biopol...ive-glass.html
لمزيد من المعلومات:
اكسينكسين دينغ وآخرون، A biopolymer hydrogel electrostatically reinforced by amino-functionalized bioactive glass for accelerated bone regeneration, Science Advances(2021). DOI: 10.1126/sciadv.abj7857
ناثانيل هويبستش وآخرون، Matrix elasticity of void-forming hydrogels controls transplanted-stem-cell-mediated bone formation, Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4407
الهوامش:
[١] الكهرباء الساكنة (electrostatics) هي فرع من فروع الفيزياء يدرس الشحنات الكهربائية أثناء السكون (الكهرباء الساكنة). هناك العديد من الأمثلة على الظواهر الكهروستاتيكية، من تلك البسيطة مثل جذب الغلاف البلاستيكي إلى يد المرء بعد إزالته من العبوة، إلى الانفجار التلقائي على ما يبدو لصوامع الحبوب، وتلف المكونات الإلكترونية أثناء التصنيع، وتشغيل آلة النسخ والطابعة بالليزر. تتضمن الكهرباء الساكنة تراكم الشحنة على سطح الأجسام بسبب ملامسة الأسطح الأخرى. على الرغم من أن تبادل الشحن يحدث كلما تلامس أي سطحين ومنفصلين، إلا أن آثار تبادل الشحنة عادة ما يلاحظ فقط عندما يكون لدى واحد على الأقل من الأسطح مقاومة عالية للتدفق الكهربائي، لأن الشحنات التي يتم نقلها محاصرة هناك لفترة طويلة بما يكفي لملاحظة آثارها. ثم تبقى هذه الشحنات على الجسم حتى تنزف على الأرض، أو يتم تحييدها بسرعة عن طريق التفريغ. تحدث الظاهرة المألوفة المتمثلة في “صدمة” ثابتة بسبب تحييد الشحنة المتراكمة في الجسم من ملامسة الأسطح المعزولة. ويكيبيديا.
[٢] ألجينات هي عديد السكاريد الأنيوني الموجود بشكل رئيسي في الطحالب البنية. يتكون ألجينات من كوبوليمرين، حمض جولورونيك وحمض مانورونيك. توفر البوليمرات المشتركة القوة والمرونة للألجينات. ميزات مثل اللزوجة العالية وخصائص التبلور والاستقرار العالي تجعل ألجينات عديد السكاريد الصناعي المهم. لدى ألجينات عدد من التطبيقات في صناعة الأدوية مثل تكوين المواد الهلامية وعوامل التثبيت وتسليم الأدوية الموضعية. استخدام الهلاميات المائية ألجينات لتوصيل أدوية الأنسجة على نطاق واسع في الوقت الحاضر. المصدر: https://www.sciencedirect.com/topics...ience/alginate
[٣] علكة جيلان هو عديد السكاريد الأنيوني الآخر، مشابه في ملف تعريف المنفعة للألجينات. يمكن معالجة علكة جيلان بسهولة إلى مواد هلامية شفافة مقاومة للحرارة. علكة جيلان ليس ساما للخلايا ويمكن حقنه في الأنسجة. تم استخدامه في الجسم الحي في البشر كوسيلة لتوصيل أدوية العين. لا يزال صمغ جيلان غير معروف نسبيا في المجتمع الطبي الحيوي، ولم يستكشف سوى عدد قليل من الدراسات هذه المادة لهندسة الأنسجة. ومثل ألجينات، يمكن استخدام علكة الجيلان للتغليف والزراعة المختبرية للخلايا. تمكنت الهلاميات المائية لعلكة جيلان من دعم تطوير الخلايا الغضروفية الأنفية، وكانت الهلامية المائية لعلكة الجيلان عن طريق الحقن فعالة في تغليف ودعم الخلايا الغضروفية المفصلية البشرية، مع تمكين التوليف النشط لمكونات المصفوفة خارج الخلية (Extracellular Matrix (ECM)) [هي شبكة جزيئات واسعة تتكون من ثلاثة مكونات رئيسية: البروتين والجليكوزامينوغليكان والجليكون المتقارن] أيضا. ويكيبيديا.
[٤] البلاعم هي نوع من خلايا الدم البيضاء في الجهاز المناعي التي تجتاح وتهضم أي شيء لا يحتوي، على سطحه، البروتينات الخاصة بخلايا الجسم السليمة، بما في ذلك الخلايا السرطانية والميكروبات والحطام الخلوي والمواد الغريبة وما إلى ذلك. ويكيبيديا.
رد مع اقتباس
