Νανοϊνωδη ικριωματα οξικης κυτταρινης για την αναγεννηση των ιστων

Της Ειρήνης Χαϊνογλου

xainoglou1

Εικόνα 1: Η δομη της κυτταρινης στο κυτταρικο τοιχωμα των φυτων

Η κυτταρίνη ανήκει στην κατηγορία των πολυμερικών βιοϋλικών και συγκεκριμένα είναι ένα φυσικό πολυμερές, το οποίο συναντάται στη φύση κυρίως ως συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυτών. Την συναντάμε επίσης στο ξύλο ( 50%), στο βαμβάκι (90%), παράγεται από αρκετά βακτήρια για να σχηματίσουν βιοφίλμ (33%) και τέλος την παράγουν και πολλά είδη αλγών. Όπως βλέπουμε και στην Εικόνα 1 η κυτταρίνη είναι ένα γραμμικό πολυμερές της D-γλυκοζης ενωμένα με γλυκοζιτικούς δεσμούς β-(1 à4) και αποτελείται από πολλές ευθείες αλυσίδες ενωμένες μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Οι πολλαπλές ομάδες υδροξυλίου στα υπολείμματα γλυκόζης από μια αλυσίδα διαμορφώνουν τους δεσμούς υδρογόνου με τα μόρια οξυγόνου στην ίδια ή σε μια γειτονική αλυσίδα, κρατώντας τις αλυσίδες σταθερά μαζί δίπλα-δίπλα διαμορφώνοντας μικροϊνίδια με μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Αυτή η δύναμη είναι σημαντική στα κυτταρικά τοιχώματα, όπου τα μικροϊνίδια παγιδεύονται σε μια μήτρα υδατανθράκων (ημικυτταρίνη, λιγνίνη), παρέχοντας ακαμψία στα κύτταρα των φυτών.

xainoglou2Εικόνα 2: Ειδική χημική επεξεργασία μετατροπής κυτταρίνης σε οξική κυτταρίνη

Η δομή της κυτταρίνη παρουσιάζει αυξημένη κρυσταλλικότητα κατά συνέπεια και αυξημένη σταθερότητα, γεγονός που καθιστά την κυτταρίνη δυσδιάλυτη. Γι’ αυτό το λόγο ιδιαίτερο ενδιαφέρον αποκτούν οι εστέρες κυτταρίνης, όπως είναι η οξική κυτταρίνη (AC: Acetate cellulose). Οι εστέρες κυτταρίνης προέρχονται από τη χημική μετατροπή της κυτταρίνης κατά τη διάρκεια ετερογενών διεργασιών. Συγκεκριμένα είναι η αντίδραση της κυτταρίνης με οργανικά οξέα, χλωρίδια οξέων κ.α. Η οξική κυτταρίνη είναι προϊόν αντίδρασης της κυτταρίνης με οξικό ανυδρίτη (Εικόνα 2). Τα παράγωγα κυτταρίνης προκύπτουν από υποκατάσταση των ελεύθερων υδροξυλίων της καθαρής κυτταρίνης με Ach. Μέγιστος βαθμός ακετυλίωσης (Β.Α.= αριθμός ακετυλίων ανά μονάδα ανυδρογλυκόζης) είναι 3. Η μερικώς υποκατεστημένη οξική κυτταρίνη έχει –ΟΗ και –Αch. (ΟΗ-ΟΗ = Αch-Ach > OH-Ach ). Τα εισαγόμενα ακετύλια μειώνουν τον αριθμό των διαμοριακών δεσμών υδρογόνου και έτσι αυξάνεται η ευκαμψία και η κινητικότητα των αλυσίδων σε σχέση με την κυτταρίνη [1-3]. Η οξική κυτταρίνη είναι διαλυτή σε συγκεκριμένους διαλύτες, γεγονός που επιτρέπει την δημιουργία ινών οξικής κυτταρίνης. Οι νανοϊνες οξικής κυτταρίνης έχουν ευέλικτες βιοτεχνολογικές εφαρμογές όπως είναι στην κλωστοϋφαντουργία, στην επικάλυψη φαρμάκων και στα φίλτρα τσιγάρων. Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον εστιάζεται στη δημιουργία ικριωμάτων οξικής κυτταρίνης για την αναγέννηση των ιστών, χρησιμοποιώντας στρατηγικές που βασίζονται στη νανοκλίμακα.

xainoglou3Εικόνα 3: 3D απεικόνιση ικριωμάτων σε μικρο- και νάνο- κλίμακα

Στις βασικότερες ιδιότητες τους περιλαμβάνονται ότι είναι μη τοξικοί, ανανεώσιμοι και βιοδιασπώμενοι. Οι πιο σημαντικοί παράμετροι που επηρεάζουν την βιολειτουργικότητα των ικριωμάτων είναι η τραχύτητα, η τοπογραφία, η διαβροχή, οι μηχανικές ιδιότητες, η χημική σύνθεση της επιφάνειας, το είδος των κυττάρων που αναπτύσσονται επάνω καθώς και τα λειτουργικά μόρια που διαθέτει στην επιφάνεια του. Το πλεονέκτημα των ικριωμάτων στην νανο κλίμακα είναι ότι παρουσιάζουν αυξημένη αναλογία επιφάνειας προς όγκου, γεγονός το οποίο αυξάνει το πορώδες του ικριώματος και δημιουργεί καλύτερη πρόσφυση (Εικόνα 3). Κατά αυτόν τον τρόπο τα κύτταρα αλληλεπιδρούν καλύτερα τόσο μεταξύ τους όσο και με τον περιβάλλοντα νανοϊνώδη χώρο, ο οποίος προσομοιάζει την εξωκυττάρια θεμέλια ουσία (Extra Cellular Matrix).  Μέχρι στιγμής , οι χειρουργικές επεμβάσεις και γενικότερα ιατρικές πρακτικές προσφέρουν τη δυνατότητα της μερικής αποκατάστασης ενός ιστού ή αντικατάστασης του με συγγενικό ιστό ή με τεχνητό εμφύτευμα, με σαφές οικονομικό αντίκτυπο. Υπολογίζεται πως οι δαπάνες υγείας που αφορούν αποκατάσταση ιστών ή και οργάνων με τα παροντικά μέσα ξεπερνούν τα $400 δις ετησίως. Παρόλο που αυτές οι παραδοσιακές μέθοδοι έχουν σώσει εκατομμύρια ανθρώπινες ζωές, αν υπολογιστεί κανείς τις μεταγχειρητικές επιπλοκές π.χ ανοσολογικές αντιδράσεις, μετεγχειρηματικές λοιμώξεις, οδηγείται στο συμπέρασμα πως οι σημερινές ιατρικές πρακτικές χρειάζονται βελτιώσεις. Η πολλά υποσχόμενη ιστομηχανική, βασιζόμενη στις αρχές της μηχανικής και των βιολογικών επιστημών, αναμένεται να διευρύνει τις προοπτικές, ακριβώς επειδή προσεγγίζει και μελετά το πρόβλημα από την θεμελιώδη μορφή της ζωής, δηλαδή το κύτταρο [4]. Στην Εικόνα 4 απεικονίζεται η διαδικασία αναγέννησης ιστών. Ακριβέστερα,  σε αρχικό στάδιο απομονώνονται κύτταρα από τον ασθενή, καλλιεργούνται και εναποτίθενται στα 3D ικριώματα. Στη συνέχεια κατά από κατάλληλες συνθήκες (θερμοκρασία, αυξητικοί παράγοντες κ.τ.λ.), σχηματίζεται το επιθυμητό τμήμα ιστού και σε τελικό στάδιο μέσω χειρουργικής επέμβασης τοποθετείται πάλι πίσω στον ασθενή.

xainoglou4

Εικόνα 4: Σχηματική αναπαράσταση της αναγέννησης ιστών με την χρήση 3D νανοϊνωδών ικριωμάτων . Περιγραφή εικόνας: Καλλιέργεια κυττάρων σε πορώδη πολυμερικά ικριώματα . (α) κύτταρα που απομονώνονται από τον ασθενή και μπορούν να καλλιεργηθούν, (β) καλλιέργεια In vitro σε δισδιάστατες  επιφάνειες για αποτελεσματική ανάπτυξη, (γ) ακολούθως τα κύτταρα καλλιεργούνται σε 3D πορώδη ικριώματα με αυξητικούς παράγοντες, βιομόρια, μικρο/νανοσωματίδια. (δ) οι κυτταρικές κατασκευές καλλιεργούνται επιπλέον σε βιοαντιδραστήρες, παρέχοντας συνθήκες για την οργάνωση ενός λειτουργικού ιστού (ε) μετά την επιτυχή αναγέννηση του ιστού, μεταμοσχεύεται στη βλάβη, αποκαθιστώντας τη λειτουργία.[5]

 

Πηγές

  1. Electrospun cellulose acetate nanofibers:,Rocktotpal Konwarh a,1, Niranjan Karak et al., Biotechnology Advances 31 (2013) 421–437
  2. Woodruff M.A et al., The return of a forgotten polymer—Polycaprolactone , Progress in Polymer Science, 2010; 35: 1217–125
  3. http://el.265health.com/public-health-safety/smoking/1013078910.html
  4.  Διαδικτυακός τόπος http://www.centropede.com
  5. Dvir T, Timko B.P., Kohane D.S., Langer R., Nanotechnology strategies for engineering complex tissues, Nature Nanotechnology, 2011;6:13-22

 

Συντάκτης:

Χαΐνογλου Ειρήνη
Βιοχημικός & Βιοτεχνολόγος
Μεταπτυχιακά ειδίκευσης
MSc, Κλινικές Εφαρμογές Μοριακής Ιατρικής
MSc, Νανοεπιστήμες & Νανοτεχνολογίες