آزمایشگاه در فضا بایوراکتور پزشکی و کاربرد آن در تجهیزات آزمایشگاههای فضایی مقاله علمی فنی استفاده از چرخش آهستة اين دستگاه برروي بيشتر حيوانات

Transkript

1 مقاله علمی فنی نیلوفر احمدی مرزدشتی کارشناس ارشد آزمایشگاه در فضا بایوراکتور پزشکی و کاربرد آن در تجهیزات آزمایشگاههای فضایی در شماره پیشین ماهنامه بیان کردیم که كلينواستت )clinostat( دستگاهي است که با استفاده از چرخش اثرات کششي جاذبه را بر روي رشد )gravitropism( و توسعة جانداران) gravimorphism ( ساكن زمين خنثي ميکند. همچنين از اين وسيله براي مطالعة اثرات بيوزني بر بافت سلولها و جنين حيوانات استفاده ميشود. محور افقي كلينواستت شامل ديسکي است که به يک موتور متصل است. در گذشته اين ديسك به صورت مکانيکي کار ميکرد ولي امروزه براي چرخش آن از موتورهاي الکتريکي استفاده ميشود. در حالي كه ديسک در وضعيت قائم قرار دارد موتور بهآرامي با سرعت يک دور بر دقيقه ميگردد. يک موجود زنده به صورت افقي به اين ديسک دوار متصل است. چرخش آرام ديسک منجر ميشود که موجود زنده کشش جاذبه را درك نکند به اين ترتيب محيطي بيوزن شبيهسازي ميشود. همچنين اين دستگاه قادر است عالوه بر جاذبه اثرات نورخورشيد و ديگر محيطها را نيز خنثي کند. براي شبيهسازي اين نوع شرايط بيوزني دستگاه كلينواستت بايد كامال افقي باشد. در صورتي که اين دستگاه با افق زاويهاي بسازد بردار جاذبة خالصي که مقدارآن متناسب با اين زاويه است توليد ميشود. به كمك همين ويژگي است كه اين دستگاه ميتواند جاذبة سطح ماه را )كه تقريبا يك ششم سطح زمين است( با ده درجه زاويه نسبت به افق ايجاد کند. موجودات زنده نسبت به جاذبه واکنش نشان ميدهند مشروط به اين كه در يك بازه ی زماني معين که بهاصطالح )حداقل زمان حضور(گفته ميشود و براي موجودات مختلف متفاوت است تحت نيروي جاذبه قرار گيرند. براي بسياري از موجودات زنده اين زمان حدود 10 تا 200 ثانيه است بنابراين دستگاه الزم است در مقياس زماني متناسب با وضعيت جاندار بچرخد تا از پاسخ رشد جاندار ممانعت به عمل آيد. زمان حضور براي حيوانات دو تا سه برابر كوتاهتر است که بنابراين منجر به استفاده از چرخش آهستة اين دستگاه برروي بيشتر حيوانات ميشود. از چرخش سريعتر دستگاه كلينواستت ميتوان براي مطالعه ی بافتهاي سلولي و جنين حيوانات استفاده کرد. سرعت چرخش بهينه از طريق مقايسه ی پاسخهاي واقعي موجودات زنده به بيوزني در فضا به دست ميآيد که اين زمان چيزي در حدود 0/3 تا 3 دور بر دقيقه براي اکثر موجودات زنده است. نمونه ی ساده و يکبعدي دستگاه كلينواستت اولين بار براي آزمايشهاي شاتل STS-107 به كار گرفته شد. اگر شتاب گرانش اجسام بيشتر از مقدار شتاب آن بر روي زمين باشد به شبيهسازي نيروي جانب مرکز نياز است و در اين شرايط دستگاه كلينواستت تبديل به يک دستگاه سانتريفوژ ميشود. مقدار اين نيرو به سرعت زاويهاي و شعاع دستگاه بستگي دارد. ویژگیهایكلينواستت با دما و سطح کنترلی CO2 CO2 انکوباتور_ حاالت مختلف عملیات: گردش تصادفی چرخش گرانش جزئی سیکل عملیات متوالی برنامه ریزی شده همراه با شروع و توقف برنامه چک کننده شتاب سنج دو بعدی کسب داده ها و گزارش به صورت خودکار دو کاناله برای مایعات و یا گازها ی فشار دسترسی به بی سیم و خدمات وب برای نظارت بر اهداف سیگنالهای تصویریو صوتی )وضعیت دستگاه( آبان 97 شماره

2 بيوزني شبيهسازي براي كه كلينواستت دستگاه كاملتر نمونة اين در دارد. نام )FFM( آزاد سقوط دستگاه ميشود استفاده تحت سلولي معلق مخلوطهاي مانند کوچک نمونههاي دستگاه سقوط اين و ميکنند آزاد سقوط متري يک حدود ارتفاع از جاذبه در نيرويي از استفاده با سپس ميافتد. اتفاق ثانيه از کسري در بااليي بخش به 20 ميليثانيه مدت طي جاذبه شتاب 20 برابر حدود و ميشوند رها آزاد سقوط براي دوباره و ميشود منتقل دستگاه اين بر حاكم فيزيكي قانون ميشود. تکرار دفعات به عمل اين صفر شتاب در آزاد سقوط زمان بيشتراين که است اين دستگاه انتقال آن طي که زماني مدت ميشود فرض ميپيوندد. وقوع به کوچک آنقدر ميدهد رخ جاذبه شتاب از بزرگتر نيروي تحت از و نميشود درک فيزيولوژيک مکانيسمهاي توسط که است کرد. فرض آزاد سقوط ميتوان را زمان اين کل اينرو زيستفناوري در كلينواستت دستگاه كاربردهاي مهمترين از دانههاي و سلولها در پروتئينها آرايش تغيير به ميتوان كموزني شرايط در شده داده پرورش گياهان در توليدشده جانوري و گياهي سلولهاي تكياختهها در ژنها بيان تغيير عوامل اثر دگرگوني و جانداران تكثير و رشد الگوهاي تغيير گونههايي ايجاد براي تشعشع( )مانند ژني جهش ی ايجادكننده در دستگاه اين كاربرد بنابراين كرد. اشاره مفيد جهشهاي با ميشود: شامل را زير موارد زيستفناوري ژنتيكي محتواي تغيير بدون ماكرومولكولها ساختار تغيير گياهان دانههاي در پروتئينها ساختار آرايش تغيير مانند مانند توارثيافته صفات بروز ی نحوه يا ژنتيكي محتواي تغيير يك ايجاد ژنها بيان تغيیر همچنين و جهشزا عوامل تأثير تغيير اين كه كنترل و )monitoring( پايش قابل ی بسته كامال محيط اهميت حائز بسيار فضايي باغباني ی زمينه در بهخصوص ويژگي شرايط ايجاد و محيطها اين در ويژه حسگرهاي وجود زيرا است ات ميكند فراهم محققان براي را امكان اين فضا ی شبيهسازيشده جداگانه نحو به را دانهسازي و تكثير رشد بر مختلف عوامل تأثير كنند. تحليل و تجزيه گروهي يا تمايز تسهيل و بنيادي هاي سلول تكثير افزايش بافتي پيوندهاي در استفاده مورد هاي بافت به ها آن زيستفناوري امروزه كه داشت نظر در بايد طوركلي به در صورتگرفته تحقيقات و ها رويكرد ی پايه و اساس سفرهاي در انرژي و غذا سازي ذخيره و توليد ی زمينه انجام براي الزم شرايط كلينواستت دستگاه و است فضايي كند. مي فراهم را تحقيقات اين تصویری تصویر 1. بدن های سلول از طلا" "انگشت انسان نمایش به که دارد نام سلول مونوسیت یک یک عنوان به ایمنی رنگ به شفاف منظره با سوخته نارنجی سبز رنگ به هایی رگه است. پرداخته فضا در ایمنی سیستم ضعف کوبیک انکوباتور دستگاه از استفاده با فضا در تصویر این گرانش شده سازی شبیه شرایط در اروپا فضایی سازمان در گرانش برایتقلید سانتریفوژ یک از که رسیده ثبت به کند. می استفاده فضا وزنی بی اساليدهای روی بر ایمنی های سلول کار این برای این شدند. داده قرار انکوباتور درون طال از شده پوشیده توانستند زمین در محققان و برده بین از را طال ها سلول این ثبت برای کنند. گیری اندازه فضا در را ها آن حرکات فلورسنت میکروسکوپ یک زیر در که هایی پادتن تصویر نمایش را ها رنگ تا شد اضافه ها سلول این به درخشند می کند. شناسایی قابل را خاص های تئین پرو و داده جاذبه در مونوسیت تفاوت )Ames( ایمز ازمرکزتحقیقات تصویر تصویر 2. دهد. می نشان را طبیعی آبان 154 شماره

3 طریق این از و است یکدیگر با مجاورت و ارتباطات تغذیه سوء نظیر هایى بیماری پیدایش شود. مى کنترل کورى ها استخوان در تخلخل پیدایش ها ماهیچه در حاصل بدن در ساز سرطان هاى سلول گسترش تدریجى هم با ها سلول است ممکن که است نادرستى ارتباطات از تاثیر تحت که شرایطى در بدن مطالعه بنابراین باشند. داشته مشارکت و ها سلول رشد بررسى امکان دارد قرار جاذبه سازد. نمى مقدور را جاذبه کم محیط در یکدیگر با شان در را ها سلول بین همکارى نوعى بیوراکتور که این حال ها سلول که اى گونه به نماید می ایجاد جاذبه کم محیط کنند. می رشد بسته چرخان محیط یک در بررسى و تحقیق منظور به که است اى سامانه بیوراکتور جاذبه کم محیط در ها سلول زیستى و بیولوژیکى هاى فعالیت آن در که است اى محفظه داراى سامانه این است. شده ساخته هاى فعالیت مانند اعمالى شیمیایى فرایندهاى با همراه ها سلول فرایندها این گیرند. مى قرار بررسى مورد زیست-شیمى اصلى شکل است. غیرهوازى و هوازى هاى واکنش شامل از معموال و است مانند جعبه یا و اى استوانه بیوراکتور یک براى وسیله این از شود. مى ساخته زنگ ضد فوالد جنس در گسترده طور به و شود مى استفاده ها بافت و ها سلول رشد دارای بیوراکتور ساخت و طراحى دارد. کاربرد ژنتیک مهندسى است. مهندسى خاص هاى پیچیدگى بهینه شرایط یک در ها سلول و ها میکروارگانیزم وسیله دراین این واقع در بود. خواهند ۱۰۰ درصد مطلوب عملکرد به قادر در ها بافت و ها سلول رشد براى مناسب اى زمینه ایجاد با سامانه سلولى رشد منظورکاهش به راهکارهایى فضا با مشابه محیطى به 5( ( و 4( ( تصویر در دهد. مى ارائه غیرطبیعى حالت در را است. شده داده نشان چرخنده محفظه و بیوراکتور ترتیب 5 و 4 تصویر یا ها ماهیچه در موجود های سلول مانند ها سلول برخی انواع مانند دیگر های سلول و بوده متحرک بدن ایمنی سیستم هستند. ثابت ها استخوان در موجود ایمنی های سلول حرکت بر فضا در پرواز تاثیرات شناخت اهمیت فضایی های ماموریت طراحان و فضانوردان برای بدن داخلی ساختار یکپارچگی به ها سلول حرکت زمین در دارد. دارد. بستگی سلولی اسکلت به موسوم سلول فدرال فناوری موسسه فضایی شناسی زیست گروه محققان وزنی بی در سلولی اسکلت تغییرات که دریافتند سوي یس ممکن فرآیند این شود. می ها سلول تحرک کاهش به منجر در زندگی زمان در فضانوردان که باشد داليلي از یکی است برند. می رنج ایمنی سیستم ضعف از فضا اروپا فضایی سازمان کوبیک انکوباتور تصویر 3. فیزیولوژیکی استرسهای و فضایی مأموریتهای کاهش به منجر آن از ناشی روانشناختی و احساسی جمله از بیماریها بسیاری شدن فعال و بدن ایمنی سیستم هک میدهد نشان تحقیقات میشود. ویروسی عفونتهای دست ایمنی سیستم اجزای از بعضی فضایی پروازهای در دفاعی سد یا اولیه ایمنی که طوری به میشود تغییر خوش سلولی ایمنی تخصصی اجزای و عفونتها علیه بدن اولیه و مسائل گونه این حل براى مییابد. کاهش فضانوردان در ها سلول رشد چگونگى بررسى همچنین و مشکالت و انجام اى گسترده تحقیقات انسان بدن از خارج محیطى وضعیت مطالعه شد. بیوراکتور نام به اى وسیله ساخت باعث امکان ها سلول کشت حتى یا و انسان بدن در ها سلول مقدور بعدى دو حالت در را ها سلول ساختار مطالعه ندهد. ارائه مکفى و دقیق نتایج شاید و سازد مى جاذبه از سازى شبیه نوعى فناورى این تولید و ساخت با ناسا به و ها سلول پیرامون مطالعه محیط این در که آورد فراهم را کم کرد. تر دقیق و تر راحت را خون ایمنى هاى سلول در تحقیق ویژه نوع به وابسته شهر یک در حیات مانند ها سلول زندگى 97 آبان 154 شماره 14

4 زیرسامانه هاى تشکیل دهنده بیوراکتور در قلب اصلى این دستگاه کیسه ای پالستیکى در ابعاد یک قوطى نگه دارنده غذا است که در درون دیواره خود رگ ها را جاى مى دهد و مى چرخاند. یک فیلتر سیلندرى شکل در مرکز چرخنده قرار گرفته و باعث ورود اکسیژن و خروج دى اکسید کربن مى شود. بیوراکتور متشکل از ماژول الکترونیکى ماژول تولید گاز و ماژول محفظه رشد سلول ها و سیستم هاى محاظتى حسگرها و شبکه سامانه کنترل ۳ است. مواد غذایى و اکسیژن از محل کشت میکروب عبور مى نماید. محفظه با سرعت چرخشى نیم دور در دقیقه مى چرخد. براى جدایش ضایعات به وجودآمده از صافى استفاده مى شود که با سرعت ۱۱ دور بر دقیقه مى چرخد. این عمل به طور مرتب تکرار مى شود و مواد غذایى تازه به همراه اکسیژن جایگزین مواد زائد مى شوند. زمانی که کیسه انبار مواد زائد پر شد فضانوردان آن را خارج کرده و کیسه جدیدى را جایگزین مى کنند. دریچه ها و تلمبه هاى تزریق به نوعى قرار گرفته اند که امکان حرکت اجزا و حتى رویت بخش ها مقدور نیست. رایانه هاى کنترل گر آزمایشى این وسیله را تحت نظر قرار داده و شرایط موجود در محفظه ها را گزارش مى دهند. نقص و یا خرابى با به صدا درآمدن زنگى اعالم مى شود. اطالعات از طریق صفحه نمایش گر نصب شده روى دستگاه ارائه مى شود. نمایش نمودارهاى گرافیکى که حاوى اطالعات مفیدى است کار با دستگاه را بسیار آسان کرده است. تصویر ( 6 الف( بیوراکتور و صفحه نمایشگر تصویر ( 6 ب( بیوراکتور و محفظه هاى رشد سلولى رانشان می دهند. در مرکز این نگهدارنده فیلترهایى وجود دارد که مواد مغزى و اکسیژن وارد آن شده و دى ا کسیدکربن و مواد زائد از آن خارج مى شود. چرخش بیوراکتور و سپس چرخیدن خون در این وسیله باعث به وجود آمدن نیروهاى برشى نمى شود. نیروى برشى به نوعى منجر به انهدام سلول ها خواهد شد. به عبارتى با چرخیدن دیواره جاذبه به طور کامل از بین نمى رود و در واقع نوعى شبیه سازى از سقوط آزاد سلول ها است همان تجربهاى که فضانوردان در فضا و محیط کم جاذبه احساس مى کنند. نرخ چرخش ۱۴ دور بر دقیقه که سرعت بسیار پایینى است زمینه معلق ماندن سلول ها را در مدت سقوط آزاد ایجاد مى کند. سلول هاى بدن در مدار زمین و یا در هرمحیط کم جاذبه به سمت زمین و یا نیروى گرانش جسمى که در مدار آن قرار گرفته اند کشیده شده و سقوط مى کنند. با استفاده از بیوراکتورها سیستم ایمنى بدن را از کنترل هورمون ها خارج کرده و تاثیرات جاذبه کم در سلول هاى ایمنى بررسى مى شوند. در تصویر )7( تعلیق سلول ها در جاذبه زمین و جاذبه کم به خوبى نمایش داده شده است. تصویر 7. نمایش تعلیق سلول ها در جاذبه زمین و جاذبه کم از کنترل کننده هاى دمایى به منظور تامین دمای مورد نیاز محفظه سلولى و دیگر ابزارهاى دستگاه استفاده مى شود. این کنترل کننده ها قادرند تا زمانى که سلول ها در بیوراکتورها مى چرخند آن ها را از لحاظ دمایى تحت کنترل قرار دهند. این بخش از بیوراکتور شامل چهارحفره تبرید ساز است که مى تواند دمایى در حدود ۴- تا ۵۰ درجه سانتى گراد )دمایى نزدیک به انجماد سلول هاى بدن( را تعبیه نماید. هر حفره خود داراى سه بخش است. درون هر بخش تصویر ( 6 الف(- بیوراکتور و صفحه نمایشگر تصویر )6 ب(- بیوراکتور و محفظه هاى رشد سلولىرشد سلول ها توسط حفاظ و بدنه هاى شفاف موجود در دستگاه قابل رویت است. 15 آبان 97 شماره 154

5 مخلوط هوا و دى اکسیدکربن وجود دارد. در فرایندهاى هوازى انتقال اکسیژن در حد مطلوب شاید سخت ترین کار باشد. اکسیژن به طور ناچیز در آب حل شده و حتى کمتر از مقدار تخمیر سبزیجات حاصل مى شود. در هوا نیز مقدار کمى از آن در حدود 8/20 درصد موجود است. انتقال اکسیژن با هم زدن مقدور است که منجر به صرف انرژى زیادی خواهد شد. به طور معمول در صنایع ساخت بیوراکتور از باکترى و یا ارگانیزم هاى ساده اى استفاده مى شود که در مقابل نیروى حاصل از تالطم و بهم زدن مقاوم است. سلول هاى نگه دارى شده در این محیط که مواد مغذى نیز به آن ها تزریق مى شود با آهنگ متحیرکننده اى رشد مى کنند. ادامه دارد... منابع 4- کتاب مهندسی پزشکی در فضا جلد اول کیسه های شفافی از جنس تفلون وجود دارد که نگهدارنده ۳۰ میلى متر مواد از جمله سلول ها است. هر ۷ تا ۲۱ روز بسته به نرخ رشد سلول ها فضانوردان با استفاده از سرنگ مقدارى سلول را درون محفظه جابجا نموده و آن ها را به سمت محفظه اى با مواد تازه منتقل می کنند. سپس یک ماده تثبیت کننده را درون این محفظه هاى سلولى تزریق کرده تا سلول ها را درشرایط مناسب تر و حتى بعد از اتمام عملیات پروازى در روى زمین بررسى سلول ها نیز در زیر) zn ( خون و رو ph کنند. مقدار گلوگز و میکروسکوپ اندازه گیرى می شوند. شرایط محیط در برگیرنده بیوراکتور مانند نرخ جریان گاز )هوا اکسیژن نیتروژن و دى اکسیدکربن( دما سرعت چرخش دورانى محفظه و بسیارى موارد دیگر باید به دقت کنترل و بازبینى شود. در ماژول فراهم کننده گاز که شامل چهار شیشه محتوى مخلوطى از هوا و دى اکسید کربن است رشد بهینه سلول ها انجام خواهد شد. در این ماژول قابلیت شارژ مجدد پس از اتمام در چهارمین کنگره پیشرفت های مهندسی بافت و پزشکی بازساختی ایران برگزارشد: کارگاهی با عنوان جداسازی و کشت سلول های بنیادی بررسی سمیت و چسبندگی سلول های بنیادی مهندس رامین خادمی همزمان با برگزاری چهارمین کنگره پیشرفت های مهندسی بافت و پزشکی بازساختی ایران در تاریخ 26 تا 28 آبان ماه در دانشگاه علوم پزشکی دانشگاه ایران کارگاه هایی نیز با موضوع هایی پیرامون همین محور )با عناوین زیر( به منظور ارتقاء سطح دانش عالقمندان تشکیل شد. میکروفلوئیدیک نمونه سازی سریع الکتروریسی ساخت داربست در مهندسی بافت Real time PCR and Primer Design بی سلول کردن بافت و ارگان کشت سلولی آنژیوژنز آنچه در زیر می آید شرح مختصری از کارگاه کشت سلولی است که توسط آقای دکتر قلی پور در دانشکده پیراپزشکی این دانشگاه ارائه شده است. محورهای اصلی بحث در این کارگاه شامل جداسازی و کشت سلولهای بنیادی بررسی سمیت و چسبندگی سلولهای بنیادی سرطانی بود. در قسمت نخست این کارگاه مواد و لوازم کار )مانند: سانتریفیوژ انکوباتور و...( به صورت تئوری معرفی شد. در بخش دوم روش قطع نخاع قربانی و کالبدشکافی یک موش آزمایشگاهی به صورت عملی تشریح شد. پس از آن شیوه نمونه گیری از بافت چربی و نیز سلولهای مغز استخوان آموزش داده شده و در انتها سنجش تکثیر و بقای سلولی به روش MTT ارائه گردید. گفتنی است که اساس این روش مبتنی بر فعالیت میتوکندری سلول های زنده می باشد که می تواند باعث احیاء رنگ تترازولیموم MTT در سلول های فعال )به لحاظ متابولیکی( شود. در واقع حلقۀ تترازولیوم توسط دهیدروژنازهای میتوکندریایی در سلولهای زنده شکسته شده و با تولید NADH و NADPH منجربه تشکیل رسوب نامحلول ارغوانی رنگی به نام فورمازان میشوند که میتواند توسط ایزوپروپانول یا دی متیل سولفواکسید حل شود. سپس شدت رنگ تولید شده در طول موج 540 تا 630 نانومتر اندازه گیری می شود که مستقیما با تعداد سلول های زنده متناسب بوده و ما را قادر به ارائۀ منحنی درصد بقای سلول ها برحسب غلظت ترکیب مورد مطالعه می سازد. از کاربردهای مهم این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد: سنجش میزان تکثیر سلولی درپاسخبه عوامل رشد سایتوکاین ها میتوژن ها و مواد مغذی ارائه تجزیه و تحلیل ترکیبات کشندۀ سلول یا متوقف کنندۀ رشد سلول مانند داروهای ضد سرطان سموم آالیندههای محیط زیست و سایر عوامل دارویی شناسایی واسطه های فیزیولوژیک و آنتیبادیهای مهار کنندۀ رشد سلولی کمک به یافتن داروی مناسب و نیز غربالگری داروهای سمی و ضد سرطان بررسی اتصاالت سلولی انجام مطالعات سمی ت شیمیایی