هیدروژل تزریقی آلژینات ژلاتین حاوی نانوذرات طلا برای پیوند کاردیومیوسیت‌ های جنینی موش در ترمیم میوکارد

به دلیل موانعی مانند نیاز به سرکوب سیستم ایمنی در طی پیوند، کمبود اهداکنندگان و احتمال رد حاد یا مزمن پیوند، این روش تنها برای موارد بسیار شدید در نظر گرفته می‌شود. این مسئله متخصصان را بر آن داشته تا استراتژی‌های تشخیصی و درمانی مؤثرتری را برای حفظ عملکرد قلب اتخاذ کنند. علاوه بر این، ظرفیت بازسازی ذاتی سلول‌های قلبی انسان در سنین مختلف متفاوت است. برای یک بیمار 25 ساله، این ظرفیت حدود 1% است که در سن 75 سالگی به 0.45% کاهش می‌یابد. این موضوع نشان‌دهنده نیاز به مطالعات گسترده بر روی سلول‌ها یا مولکول‌های باززایشی است.

مهندسی بافت قلبی و انواع روش‌های پزشکی بازساختی مانند درمان با سلول‌ها، چشم‌انداز مثبتی برای بازسازی و مهندسی ساختارهای بافتی شبیه به قلب به‌منظور جایگزینی بافت‌های معیوب ارائه داده‌اند. در میان بافت میوکارد، سلول‌های پیش‌ساز قلبی (CPCs) نقش برجسته‌ای دارند. این سلول‌ها قادر به تمایز به سلول‌های اندوتلیال، سلول‌های عضلات صاف و کاردیومیوسیت‌ها هستند. برخی مطالعات نشان داده‌اند که تزریق CPC ممکن است باعث آنژیوژنز و بازسازی میوکارد شود.

بزرگ‌ترین چالش در بازسازی میوکارد یافتن ماده‌ای است که از نظر زیست‌سازگاری و شباهت ساختاری و عملکردی به ماتریکس خارج سلولی (ECM) بافت قلبی مشابه باشد. انواع بیومتریال‌ها در اشکال و مکانیزم‌های مختلف مانند پچ‌های قلبی، مش‌ها و صفحات سلولی طراحی شده‌اند تا ECM بافت قلبی را شبیه‌سازی کرده و محیطی پایدار برای رشد، تمایز و مهاجرت سلول‌ها ایجاد کنند.

در این زمینه، هیدروژل‌های تزریقی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود مانند شکل‌پذیری، نفوذ به عمق و استفاده غیرتهاجمی، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. هیدروژل‌های طبیعی و سنتزی مانند کلاژن، ژلاتین، کیتوسان، ژلاتین متاکریلات (GelMA) و پلی N-isopropylacrylamide برای انتقال سلول‌ها و محافظت از آن‌ها در برابر میکرو‌محیط سخت قلب آسیب‌دیده استفاده شده‌اند. آلژینات یکی از بیوپلیمرهای طبیعی است که به‌طور گسترده در ترمیم و بازسازی قلبی استفاده شده است.

یکسری مطالعات در مورد اثرات مفید هیدروژل آلژینات بر بازسازی بطن چپ و عملکرد آن در مدل حیوانی، منجر به شناسایی سریع پتانسیل بالینی این هیدروژل شد و آلژینات به‌عنوان اولین بیومتریال تزریقی بدون سلول برای درمان انفارکتوس میوکارد (MI) وارد کارآزمایی‌های بالینی شد. با وجود فراهم کردن یک میکرو‌محیط مناسب برای حمایت از عملکرد سلول‌های قلبی، این هیدروژل‌ها به دلیل فقدان توالی‌های اتصال سلولی، قابلیت چسبندگی سلول‌ها را ندارند. اصلاح آلژینات با توالی‌های شناسایی سلولی مانند آرژینین-گلایسین-آسپارتیک اسید (RGD) یکی از روش‌های پرکاربرد برای دستیابی به چسبندگی سلولی است.

ژلاتین، در ترکیب با آلژینات، به دلیل توانایی تبدیل ساختار سه‌مارپیچ خود به ساختار کلاف تصادفی و در نتیجه آشکارسازی توالی RGD به‌طور گسترده استفاده شده است. با این حال، ویژگی‌های الکتریکی آلژینات و ژلاتین از مشخصات میوکارد بومی پایین‌تر است و آن‌ها قادر به انتقال تحریکات الکتروشیمیایی و الکترومکانیکی بافت‌های اطراف به سلول‌های پیوندی نیستند. استفاده از نانوساختارهای رسانا بر پایه کربن و فلز توسط مطالعات متعددی مورد بررسی قرار گرفته و تأثیر آن‌ها بر افزایش رسانایی الکتریکی و خواص مکانیکی هیدروژل‌ها تأیید شده است.

نانوساختارهای طلا به دلیل رسانایی عالی و زیست‌سازگاری، جایگاه خود را در مهندسی بافت قلبی یافته‌اند و بسیاری از پژوهشگران اشکال مختلف این نانوساختارها را با پلیمرهای طبیعی و سنتزی ترکیب کرده‌اند. در یک مطالعه جالب، نواعی و همکارانش نانومیله‌های طلا (GNRs) را به هیدروژل‌های هیبرید GelMA از طریق اتصال متقاطع UV وارد کردند. این ترکیب باعث افزایش رسانایی الکتریکی، سفتی مکانیکی و بیان نشانگرهای خاص قلبی مانند سارکومریک-اکتینین و کانکسین 43 در مقایسه با GelMA خالص شد.

با این حال، نگرانی‌های زیادی در مورد سمیت بالقوه این نانوساختارها به دلیل استفاده از عوامل تثبیت‌کننده مانند Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) وجود دارد که مانع از استفاده بالینی گسترده آن‌ها شده است. به همین منظور رضا محسنی‌بدل‌آبادی و همکاران، از یک هیدروژل تزریقی آلژینات/ژلاتین به‌عنوان هیدروژل پایه استفاده کردند و نانوذرات طلا برای بهبود خواص فیزیکی و الکتریکی هیدروژل به‌کار گرفته شدند. پس از کپسوله‌سازی سلول‌های قلبی مشتق‌شده (mECCs) در ساختار هیدروژل، به ناحیه MI تزریق شد تا ساختار و عملکرد قلب بازسازی شود.

ابتدا محلول‌های آبی نانوذرات طلا (AuNPs) با روش کاهش سیترات از HAuCl4 سنتز شدند. به طور خلاصه، محلول 1 میلی‌مولار HAuCl4 (20 میلی‌لیتر) تحت رفلاکس قرار گرفت و سپس محلول 38.8 میلی‌مولار سیترات تری‌سدیم (5 میلی‌لیتر) به‌سرعت اضافه شد. در عرض 30 دقیقه، رنگ محلول از قرمز به قرمز تیره تغییر کرد و نانوذرات طلا تشکیل شدند. برای حذف سیترات اضافی از کلویید نانوذرات طلا، محلول با سرعت 10000 دور در دقیقه به مدت 15 دقیقه سانتریفیوژ شد و دو بار با آب دیونیزه شستشو داده شد.

هیدروژل‌های نانوکامپوزیت با مخلوط کردن محلول آلژینات/ژلاتین با محلول نانوذرات طلا و اتصال عرضی آن‌ها با گلوکونات کلسیم تهیه شدند. پودر آلژینات و گرانول‌های ژلاتین به‌آرامی به آب دیونیزه اضافه شدند و با استفاده از یک میله همزن مغناطیسی استریل به مدت 60 دقیقه در دمای 60 درجه سانتی‌گراد به‌طور یکنواخت مخلوط شدند. سپس، رقت‌های مختلف محلول نانوذرات طلا به محلول آلژینات/ژلاتین اضافه شد و به مدت 10 دقیقه با سونیکاسیون مخلوط شدند. در نهایت، گلوکونات کلسیم (0.7%) به مخلوط با نسبت 1:1 اضافه شد و به مدت 30 ثانیه با ورتکس مخلوط شد.

کاردیومیوسیت‌های جنینی موش از جنین‌های موش CD-1 در روز 17.5 جنینی (E17.5) با استفاده از روشی مشابه روش جداسازی کاردیومیوسیت‌های جوجه استخراج شدند. به طور خلاصه، بافت قلبی از حدود 36 جنین جدا شده، خرد و در محلول بافر فسفات دیولبکو (DPBS) بدون کلسیم و منیزیم حل شد. جداسازی سلول‌ها از طریق هضم متوالی با تریپسین (2.5% با 0.53 میلی‌مولار EDTA در DPBS؛ Gibco-BRL) و کلاژناز نوع II (0.2%؛ در محیط کشت اصلاح‌شده DMEM انجام گرفت. سپس، سلول‌های جداشده در محیط کشت DMEM شامل سرم جنین گاوی (10%)، جنتامایسین (1%)، پنی‌سیلین-استرپتومایسین (1%) و آنتی‌بیوتیک-ضدقارچ (1%) اضافه شدند. پیش از کشت سلول‌ها، آن‌ها به مدت 1 ساعت در دمای 37 درجه سانتی‌گراد اجازه داده شد تا به کف ظروف کشت پلاستیکی 100 میلی‌متری بچسبند تا آلودگی فیبروبلاست‌ها به حداقل برسد. برای تسهیل چسبندگی کاردیومیوسیت‌ها، سوپرناتانت حاوی سلول‌های غیرچسبیده دور ریخته شد و محیط کشت تازه اضافه شد. کشت سلول‌ها در دمای 37 درجه سانتی‌گراد در انکوباتور با 5% CO₂ برای حداکثر 9 روز نگهداری شد. تعویض محیط کشت در روز اول و سپس هر دو روز یک‌بار انجام شد.

نتایج این مطالعه که در مجله‌ی Macromolecular Bioscience در سال 2024 به چاپ رسید نشان داد که هیدروژل تزریقی آلژینات/ژلاتین حاوی نانوذرات طلا، به طور مؤثری به بهبود ساختار و عملکرد قلب پس از سکته قلبی کمک می‌کند. این هیدروژل باعث افزایش هدایت الکتریکی، بهبود بقا و تمایز سلول‌های قلبی، کاهش اندازه ناحیه سکته و کاهش فیبروز شد. همچنین، بیان نشانگرهای خاص قلبی مانند α-اکتین عضلات صاف و تروپونین T قلبی را تقویت کرد و انتقال سیگنال‌های مکانیکی و الکتریکی بین سلول‌های پیوندی و بافت اطراف را تسهیل نمود. این نتایج نشان می‌دهد که استفاده از این نوع هیدروژل به‌عنوان یک روش درمانی ساده، کارآمد و ایمن می‌تواند در بازسازی و ترمیم بافت قلبی پس از سکته قلبی در بیماران مفید باشد. این روش قابلیت بالقوه‌ای برای کاربرد بالینی در درمان‌های بازساختی قلب دارد.