استفاده از سيگنالهاي فيزيکي براي ترميم بافت عصب

توجهات اخير به مبحث تحريک الکتريکي و داربسته اي هادي از بحث در حال رشد خواص الکتريکي بافت ها و سلول ها حاصل ميشود. سلول هاي زنده، بسياري از سيستمهاي الکتريکي را به کار ميگيرند. براي مثال، آنها نيروي الکتريکي را توليد ميکنند، اختلاف پتانسيل مورد نياز را ايجاد ميکنند، مقاومت هاي سري و موازي را ايجاد ميکنند، جريان الکتريکي را قطع و وصل ميکنند و ميتوانند ميزان جريان الکتريکي را کنترل کنند. هنگامي که شارژ منفي داخل سلول بيشتر از خارج آن باشد، در طول غشاء پلاسما، ولتاژ الکتريکي وجود دارد. به وسيله پديده القا پتانسيل خارج سلول صفر در نظر گرفته ميشود. در نتيجه ميزان پتانسيل غشاء از 60 تا 100 ميلي ولت است. اين ميزان اختلاف پتانسيل هنگامي که سلول هاي تحريکپذير(Excitable cells)  در حال استراحت باشند، ثابت بوده و به آن پتانسيل استراحت (Resting potential) گفته ميشود.
در سيستم عصبي، جابه جايي اطلاعات از يک مکان به مکان ديگر در طول آکسون رخ ميدهد. اطلاعات در طول نورون به شکل تکانه شيميائي – برقي حرکت ميکند و از مناطق دندريتي به سوي انتهاي آکسون ميرود. توان ايجاد اين پتانسيل عمل مختص نورون ها و ناشي از انبوه مجراهاي يوني و تلمبه هاي يوني(Ion pumps)  موجود در غشاء ياخته است. مجراهاي يوني همان مولکول هاي پروتئيني حلقوي هستند که منفذهاي غشاء نورون را ميسازند. اين ساختارهاي پروتئيني از راه باز و بسته کردن منفذها به تنظيم مبادله يون هاي داراي بار الکتريکي نظير سديم و پتاسيم و کلسيم يا کلر ميپردازند. هر مجراي يوني به صورت انتخابي عمل ميکند و معمولاً فقط به يون معيني اجازه عبور ميدهد. ساختارهاي پروتئيني (تلمبه هاي يوني) جداگانه اي از راه تلمبه کردن يونهاي گوناگون به درون يا بيرون نورون، آنها را در دو سوي غشاء ياخته با توزيعي نامتوازن نگه ميدارند. تلمبه يوني از همين راه در شرايط استراحت نورون، تراکم زياد +Na را در بيرون و تراکم اندک آن را در درون نورون حفظ ميکند. اثر کلي تلمبه ها و مجراهاي يوني، قطبيسازي غشاء نورون است به طوري که بار الکتريکي  مثبت در بيرون غشاء و بار الکتريکي منفي در درون آن ميماند.
هرگاه نورون در حال استراحت تحريک شود، اختلاف ولتاژ دو سوي غشاء آن کاهش مييابد. اگر پتانسيل به اندازه کافي کم شود، مجراهاي +Na در نقطه تحريک براي مدت کوتاهي باز شده و يونهاي سديم به درون ياخته سرازير ميشوند. نام اين فرآيند ناقطبي شدن (Depolarization) است. در اين شرايط، بار الکتريکي درون آن ناحيه از غشاء ياخته نسبت به بيرون آن مثبت ميشود. مجراهاي +Na بعدي کاهش ولتاژ را درمييابند و باز ميشوند و درنتيجه منطقه مجاور ناقطبي ميشود. اين فرآيند خودنگهدارنده ناقطبي شدن (Self – propagating) که در طول جسم ياخته تکرار ميشود تکانه عصبي را شکل ميدهد. همينکه تکانه عصبي از نقطهاي ميگذرد مجراهاي +Na بسته شده و تلمبه هاي يوني گوناگوني فعال ميشوند تا غشاء ياخته را به سرعت به حالت استراحت برگردانند.

شکل ۱ . مراحل مختلف سلول های عصبی هنگام تحریک

 تأثير ميدان الکتريکي بر رفتار سلولي
در سامانه هاي زنده همه اعضا در حال حرکت هستند و يک ميدان مغناطيسي متغير، ميدان الکتريکي توليد خواهد کرد. اين امر بر اساس قانون فارادي است که از برهم کنش يک ميدان مغناطيسي و يک مدار الکتريکي براي توليد نيروي محرکه پديد ميآيد. بافتهاي همبند حاوي مولکولهاي رشته اي مانند کلاژن، کراتين، فيبرين، الاستين و … نيز از خود خاصيت الکتريکي نشان ميدهند. بحث تحريک الکتريکي بر پايه اين حقيقت بيان شد که بيوالکتريسيته اي که در بدن انسان وجود دارد نقش مهمي در حفاظت از عملکردهاي طبيعي بدن مانند سيگنال دهي سلولهاي عصبي، انقباض عضلات و ترميم زخم دارد. مشخص شده است که فرآيندهاي مهم سلولي مانند تقسيم، رشد و مهاجرت، سبب ايجاد ميدان الکتريکي ميشوند. برعکس، با اعمال يک ميدان الکتريکي با جريان مستقيم، ثابت و ضعيف در سيستمهاي بيولوژيکي، اين رفتارهاي سلولي تحت تأثير قرار ميگيرند. تحقيقات انجام گرفته پيرامون تأثير ميدان الکتريکي بر رفتارهاي سلولي را عمدتاً ميتوان در گروه هاي زير مورد بررسي قرار داد:
مهاجرت سلول
تکثير و تقسيم سلول
شکل سلول و جهت گيري آن
 تأثير ميدان الکتريکي متناوب ( AC بر رفتار سلول)

تأثير ميدان الکتريکي بر مهاجرت سلولها
ماهيت جهت دار ميدان الکتريکي باعث ميشود که بتواند جهتدهي فضايي سلولها را تحت تأثير قرار دهد. مهاجرت سلولي، رفتاري کليدي در بحثترميم به حساب ميآيد. تحقيقات نشان ميدهد که يون کلسيم نقش مهمي در بحث مهاجرت سلولي ناشي از ميدان الکتريکي ايفا ميکند. ورود غيرفعال يون کلسيم از سمت آند، سبب افزايش غلظت آن در داخل سلول ميشود؛ اين در حالي است که بر اثر خروج غير فعال يون کلسيم يا توزيع مجدد آن در فضاي داخل سلول (تحت تأثير ميدان الکتريکي) غلظت اين يون در سمتي از سلول که به کاتد نزديکتر است، کاهش پيدا ميکند. اين تغييرات، سبب ايجاد نيروهاي دافعه- جاذبهاي ميشود که برآيند آنها جهت حرکت سلول را تعيين ميکند. البته حضور عواملي چون، کانالهاي سديمي وابسته به ولتاژ، فاکتورهاي رشد، بار سطحي و حرکت الکتروفورتيک پروتئينها نيز در اين زمينه دخالت دارند. انواع مختلف سلولها در اثر ميدان الکتريکي اعمال شدهاي که بزرگي آن در حد ميدانهاي الکتريکي طبيعي بدن باشد، در جهت خاصي مهاجرت ميکنند که در حقيقت ميتوان بر اساس اين رفتار، سلولها را در سه گروه دسته بندي کرد:
اغلب سلولها در حضور ميدان به سمت کاتد (قطب منفي) مهاجرت ميکنند. مثل فيبروبلاست ها، اپي تليال قرنيه، کندروسيت ها، کراتينوسيت ها، لمفوسيت ها، اندوتليال رگي و …
برخي از سلولها به سمت آند مهاجرت ميکنند. مانند اندوتليال قرنيه، استئوبلاست خرگوش، برخي از سلولهاي اندوتليال رگي
تعدادي از سلولها هم بسته به منشأ سلول و ولتاژ اعمالي، ميتوانند در هر دو جهت مهاجرت کنند. مثلاً سلولهاي استئوبلاست در موش به سمت کاتد و  در خرگوش به سمت آند مهاجرت ميکنند.
علاوه بر جهت دهي به مهاجرت سلولي، ميدان الکتريکي به صورت قابل توجهي سرعت  مهاجرت را افزايش ميدهد. به عنوان مثال سرعت مهاجرت سلول هاي اپي تليال قرنيه، با افزايش ولتاژ از 50 به 200 (ميلي ولت بر ميلي متر) 2 تا 3 برابر افزايش مييابد. واضح است که اين رابطه خطي نيست و به نوع سلول وابسته است.

تأثير ميدان الکتريکي بر تکثير و تقسيم سلولي
تکثير سلولي به عنوان فاکتور مهم ديگر در ترميم به حساب ميآيد. تأثير ميدان الکتريکي روي تکثير سلولها بسته به نوع سلول و قدرت ميدان الکتريکي متفاوت است. به عنوان مثال در تحقيقي نشان داده شد که با اِعمال ميدان الکتريکي با بزرگي 150 تا 300 (ميلي ولت بر ميلي متر) تکثير سلولهاي کندروسيت گاوي افزايش مييابد در حالي که اگر ولتاژ به 450 برسد، به صورت قابل توجهي، جلوي تکثير را ميگيرد.
اعمال ميدان الکتريکي ميتواند بر جهت گيري تقسيم سلول هم مؤثر باشد. مثلاً در سلولهاي اپي تليال قرنيه، سلول به گونهاي تقسيم ميشود که خط جدايش دو سلول دختري، بر جهت ميدان الکتريکي عمود باشد. (دو سلول دختري در جهت ميدان الکتريکي از هم جدا ميشوند).

تأثير ميدان الکتريکي بر شکل سلول و جهت گيري آن

اغلب سلولها در ميدان الکتريکي به گونهاي جهتگيري ميکنند که محور طولي سلول، بر جهت ميدان عمود باشد. مثلاً فيبروبلاست ها، سلولهاي عضلاني، سلول هاي اپي تليال، کندروسيت ها، سلولهاي اندوتليال قرنيه، سلول هاي اندوتليال رگ و …  . جهت گيري عمودي سلولها در ميدان الکتريکي معمولاً با افزايش طول سلول همراه است. اين پاسخ سلولها به ميزان ولتاژ و مدت زمان اِعمال آن بستگي دارد. به نظر ميرسد که علت اين نوع جهت گيري سلول ها اين است که آنها تمايلي به افت ولتاژ در طول خود ندارند و به همين دليل عمود بر ميدان الکتريکي قرار ميگيرند. در شکل 2 نمونه اي از جهت گيري سلولها در ميدان الکتريکي را مشاهده ميکنيد. در عين حال نمونه هايي وجود دارند که از اين رفتار پيروي نميکنند. مثلاً سلول هاي تخمدان همستر، در راستاي ميدان جهت گيري ميکنند.

شکل ۲  . جهت گیری سلولهای اپی تلیال قرنیه در میدان الکتریکی

تأثير ميدان الکتريکي متناوب بر رفتار سلولي
با توجه به اين که در داخل بدن، تحريکات الکتريکي از نوع مستقيم (DC) هستند، اکثريت قريب به اتفاق تحقيقات انجام شده مربوط به بررسي تأثير اين نوع سيگنال بر روي سلولهاست. ولي آيا ميدان الکتريکي متناوب هم ميتواند روي رفتارهاي سلولي مؤثر باشد؟ در اين زمينه ميتوان ميدان متناوب را در دو حالت با فرکانس پايين (مثل خطوط انتقال جريان) يا فرکانس بالا (مثل اجاق هاي مايکروويو، تلفن هاي همراه) مورد بررسي قرار داد. تحقيقات انجام شده روي فرکانس پايين هنوز نميتواند با قطعيت از تأثير آن بر رفتارهاي سلولي صحبت کند و نياز به تحقيقات گسترده تر در اين زمينه احساس ميشود. از ميدان الکتريکي فرکانس بالا، اغلب به عنوان يک روش مفيد در استريل کردن بيومواد استفاده ميشود؛ به علاوه در الکتروپوريشن (ايجاد حفره در غشاي سلولي براي عبور دهي مواد خاصي که در حالت طبيعي نميتوانند از آن بگذرند) هم از اين نوع ميدان استفاده ميشود. در صورتي که بزرگي ميدان از حد 40 کيلوولت بر متر تجاوز کند، منجر به مرگ سلولي خواهد شد. به اين ترتيب در مواردي که ميدان متناوب اعمال شده، از حد قابل تحمل سلولها فراتر نرود، تاثيرات آن بر رفتارهاي سلولي، بسيار محدود خواهد بود.
تأثير ميدان الکتريکي و داربستهاي رسانا بر نورونها
يکي از اثرات مهم اعمال ميدان الکتريکي بر سلول هاي عصبي، تأثير بر رشد زوائد نوروني (دندريت و آکسون ها) است. تحقيقات نشان ميدهد که با اعمال ميدان الکتريکي، بخش عمدهاي از اين زوائد به سمت کاتد رشد ميکنند؛ ضمن اينکه سرعت رشد اين زوائد در سلولهاي در معرض ميدان الکتريکي، بيشتر از سرعت رشد آنها در سلول هايي است که در معرض ميدان الکتريکي قرار نگرفته اند. به علاوه ميدان الکتريکي در مورد نورونهاي پستانداران، سبب تحريک مهاجرت ميشود. تمامي اين پاسخ ها وابسته به زمان اعمال ولتاژ و شدت آن هستند.

شکل ۳ . جهت گیری زوائد نورونی در میدان الکتریکی.الف: عدم حضور میدان، ب: در حضور میدان الکتریکی.

نکته مهم ديگر اين است که اعمال تحريکات الکتريکي به سلولهاي بنيادي ميتواند روي تمايز آنها تأثير گذار باشد و نشان داده شده است که با اعمال يک ميدان الکتريکي ملايم به سلولهاي بنيادي جنيني، اين سلول ها تا حدي به سمت رفتارهاي سلول عصبي تمايز پيدا کرده اند و اگرچه اين امر منجر به تمايز کامل اين سلول ها نشده است ولي پتانسيل تبديل شدن به انواع سلول هاي عصبي را در آنها به وجود آورده است.
تئوري هاي مختلفي براي توضيح تأثير تحريکات الکتريکي بر سلول ها مطرح شده است. به عنوان مثال، پاتل و همکارانش معتقدند که تحريک الکتريکي از 3 راه ميتواند بر نورون ها تأثير داشته باشد:
 از طريق توزيع مجدد اجزاي سيتوپلاسمي
 فعال شدن فرآيندهاي کنترل کننده رشد در سراسر غشاي پلاسمايي، که ناشي از تغييرات پتانسيل غشا است.
 تجمع الکتروفورتيکي مولکول هاي سطح سلول، که در رشد و چسبندگي سلولي دخالت دارند.
به اين ترتيب، در بخش مهندسي بافت عصب، ساخت داربست هايي که رسانا بوده و بتوانند جريان الکتريکي را از خود عبور دهند، هم در رشد و جهت گيري زوائد نوروني و هم در تمايز يافتن سلول هاي بنيادي به سمت سلولهاي عصبي تأثير به سزايي خواهد داشت.

شکل۴. مورفولوژی سلولهای بنیادی عصب روی داربست رسانای PANI/PG . تصویر سمت چپ، عدم اعمال تحریک الکتریکی و سمت راست اعمال تحریک را نشان میدهد.

سيگنالهاي توپوگرافيک مؤثر بر سلولهاي عصبي
بر خلاف بافت هاي ديگر مثل بافت اپي تليال که داراي ساختار هموژن تري است، بافت عصبي در يک ساختار چند لايه پيچيده که ويژگيهاي توپوگرافيک از قبيل مورفولوژي و سايز در آن نقش بسيار مهمي ايفا ميکند قرار گرفته است.
کشت هاي سلولي سنتي که در ظروف کشت دو بعدي انجام ميشدهاند داراي نقاط ضعفي از قبيل ويژگيهاي توپوگرافيک و عدم شبيه سازي شرايط بيوشيميايي در مقياس ميکرو بوده اند.
اهميت معماري داربست و ماتريس خارج سلولي از همان مراحل پيشرفت اوليه قابل رويت است به اين صورت که سلول هاي جنيني بر اساس برنامه تمايزي که دارند در فضاي اطراف خود با ترشح مولکول هاي متنوع، داربست مخصوص خارج سلولي خود را ميسازند. سازمان يافتگي فضايي مختلف اين مولکول هاي ترشح شده به اين داربست هاي طبيعي اين توانايي را ميدهند تا رفتارهاي سلولي از قبيل تمايز، تکثير و رشد سلول ها را کنترل کرده که منجر به تشکيل بافتي مخصوص براي انجام يک وظيفه به خصوص در داخل بدن ميشود.

شکل۵. انواع توپوگرافی های آزمایش شده بر روی سلول های عصبی

منابع

[1] Bosworth, Lucy A., Lesley-Anne Turner, and Sarah H. Cartmell. “State of the art composites comprising electrospun fibres coupled with hydrogels: a review.” Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 9.3 (2013): 322-335.
[2] Mycielska, Maria E., and Mustafa BA Djamgoz. “Cellular mechanisms of direct-current electric field effects: galvanotaxis and metastatic disease.” Journal of cell science 117.9 (2004): 1631-1639.
[3] Lundborg, Göran, et al. “Tissue specificity in nerve regeneration.” Scandinavian journal of plastic and reconstructive surgery 20.3 (1986): 279-283.
[4] Ahmad, Christopher S., et al. “Mechanical properties of soft tissue femoral fixation devices for anterior cruciate ligament reconstruction.” The American journal of sports medicine 32.3 (2004): 635-640.
[5] Kotwal, Arundhati, and Christine E. Schmidt. “Electrical stimulation alters protein adsorption and nerve cell interactions with electrically conducting biomaterials.” Biomaterials 22.10 (2001): 1055-1064.