درمان پوکی استخوان با استفاده از میکروروبات‌های هوشمند /فناوری؛ پیشگیری، تشخیص و درمان پوکی استخوان را تسهیل می‌کند

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، پوکی استخوان یک بیماری است که در آن استخوان‌ها به تدریج نازک و ضعیف می‌شوند. این بیماری مستعد شکستگی استخوان، حتی در اثر تصادفات کوچک و زمین خوردن می‌شود. هنگامی که فرد مبتلا به پوکی استخوان است، تمام استخوان‌های وی آسیب می‌بینند، اما احتمال شکستگی استخوان‌های ستون فقرات، لگن و مچ بیشتر است. از مواردی که خطر ابتلا به پوکی استخوان را افزایش می‌دهند می‌توان به سالخوردگی، جنسیت (این عارضه بیشتر در زنان بروز می‌کند)، کمبود هورمون‌ها، وزن کم بدن، یائسگی، سیگار کشیدن و برخی از دارو‌ها اشاره کرد. همچنین مکمل‌ها، ورزش و تغییر شیوه زندگی نیز از عواملی هستند که می‌توانند در عدم ابتلا به این بیماری و درمان آن سودمند و موثر باشند. در موارد شدید این بیماری، استفاده از دارو‌ها و جراحی نیز کاربرد دارد.

کلسیم و فسفات؛ ۲ ماده طبیعی برای تشکیل استخوان

از دلایل پوکی استخوان این است که بین فرآیند تشکیل استخوان جدید و جذب استخوان قدیمی تعادل وجود نداشته باشد. بدن انسان ممکن است توانایی کافی برای تشکیل استخوان جدید نداشته باشد که بخش بیشتری از استخوان قدیمی را جذب کند، یا هر دو این فرآیند‌ها به همراه یک‌دیگر در یک نفر ایجاد شود. دو ماده طبیعی مورد نیاز برای تشکیل عادی استخوان، کلسیم و فسفات است. در طول دوره جوانی، بدن انسان از این دو ماده طبیعی برای تولید استخوان‌ها استفاده می‌کند. کلسیم برای عملکرد بهتر قلب، مغز، و سایر ارگان‌های بدن لازم و ضروری است. به منظور حفظ عملکرد این ارگان‌های حیاتی، بدن در صورت وجود کمبود، کلسیم ذخیره شده در استخوان‌ها را به منظور حفظ سطوح کلسیم مورد نیاز جذب می‌کند. در صورتی که این فرآیند جذب ادامه پیدا کند یا اگر بدن نتواند به مقدار کافی کلسیم را جذب کند، تولید استخوان و بافت استخوانی ممکن است تحت تاثیر این مشکل قرار گیرد. بنابراین، در این شرایط استخوان‌ها ضعیف‌تر شده و شکننده می‌شوند.

پیشگیری از ابتلا به پوکی استخوان با اصلاح سبک زندگی

تشخیص به موقع پوکی استخوان از اهمیت به سزایی برخوردار است. به همین منظور انجام معاینه بالینی و گرفتن شرح حال و بررسی عوامل خطر ابتلا به پوکی استخوان در تمامی خانم‌های بالای ۵۰ سال و مردان بالای ۷۰ سال توصیه می‌شود. بسیاری از عواملی که منجر به بروز پوکی استخوان می‌شود، قابل اصلاح است. می‌توان با اصلاح سبک زندگی از بروز پوکی استخوان پیشگیری کرد و یا در صورت ابتلا، عوارض آن از جمله شکستگی را کنترل کرد.

روش‌های تشخیص پوکی استخوان

تنها روش پیش‌بینی ابتلا به پوکی استخوان سنجش تراکم استخوان است. تراکم استخوانی را نمی‌توان با استفاده از اشعه ایکس تعیین کرد اما یک روش تخصصی با اشعه ایکس با دوز کم، تراکم سنجی استخوان نامیده می‌شود که برای اندازه‌گیری استخوان‌های موجود در قسمت مختلف اسکلت به کار برده می‌شود. تحقیقات در دهه گذشته نشان می‌دهد که تراکم استخوان با شکستگی ارتباط دارد، همان طور که بالا بودن کلسترول خون با احتمال ابتلا به بیماری‌های قلبی ارتباط دارد. هر چه تراکم استخوان پایین‌تر باشد، احتمال ابتلا به شکستگی به دلیل پوکی استخوان افزایش می‌یابد.

پزشکان روش‌های مختلفی را برای تشخیص ابتلا به پوکی استخوان به کار می‌برند که در آن‌ها تراکم استخوان‌ها تعیین می‌شود. مشاوره‌های تخصصی نیز برای کمک به معاینه‌های تشخیصی درست امکان‌پذیر است.

ابزورپتیومتری اشعه ایکس دوئال

رایج‌ترین روش برای اندازه‌گیری تراکم است. در DXA از فناوری پرتو فن استفاده می‌شود و امکان اسکن سریع با اشعه ایکس بسیار کم‌توان را فراهم می‌سازد. معاینه هر کدام از ستون فقرات و لگن حدود 5 دقیقه طول می‌کشد. DXA ساعد نیز ممکن است مفید واقع شود به خصوص اگر هر دو لگن با روش‌های جراحی تعویض شده باشند. با اسکنر دلفی هالوژیک نیز می‌توان عکس‌برداری به وسیله اشعه ایکس کم‌توان را برای بررسی شکستگی‌های ستون فقرات انجام داد. DXA بدون درد انجام می‌شود. انجام این تست حدود 10 تا 15 دقیقه طول می‌کشد.

اولتراسوند 

با بررسی تراکم استخوان پاشنه می‌توان احتمال شکستگی‌های کلی را پیش‌بینی کرد. به هر حال، پیش‌بینی شکستگی مهره‌ای و لگن در اولتراسوند پاشنه به اندازه DXA لگن و ستون فقرات خوب نیست. در برخی موارد ممکن است پزشک این روش را به جای DXA یا همراه با آن برای شما تجویز کند.

توموگرافی کامپیوتری کمی 

در این روش از اسکنر سی تی استاندارد استفاده می‌شود. دو مهره در قسمت پایین کمر برای اسکن‌های مقطعی انتخاب می‌شوند که با نرم افزار مخصوص تراکم سنجی آنالیز می‌شوند. کل این فرایند در مدت 15 دقیقه انجام می‌شود. این معاینه گاهی اوقات و در صورتی که آرتروز در کمر وجود داشته باشد و باعث نامعتبر شدن نتایج تست DXA شود به کار برده می‌شود.

رادیوگرافی جانبی 

با استفاده از یک واحد پرتونگاری عادی، نمای بالا و پایین ستون فقرات برای بررسی شکستگی‌های احتمالی مشاهده می‌شود. این تست حدود 15 دقیقه طول می‌کشد.

همان‌طور که گفته شد، پوکی استخوان بیماری مربوط به استخوان‌ها است. ساختار میکروسکوپی استخوان‌ها به صورت لانه زنبوری است. منافذ و خانه‌های استخوان پوک بسیار بزرگ‌تر از استخوان سالم است که در این حالت استخوان‌ها به تدریج، جرم و تراکم خود را از دست می‌دهند و بسیار حساس و شکننده می‌شوند. پوکی استخوان، هیچ علامت اولیه‌ای ندارد و زمانی بروز می‌کند که یکی از استخوان‌ها (معمولا استخوان لگن و مچ) می‌شکند؛ به همین دلیل به آن بیماری خاموش گفته می‌شود. کاهش تراکم استخوان‌ها با افزایش سن کاملا طبیعی است، ولی برخی عوامل این فرآیند را تسریع می‌کند که کم تحرکی، عدم استفاده از مواد حاوی کلسیم، کاهش ویتامین D در بدن، ابتلا به بیماری‌های خاص مانند سرطان، استفاده از دارو‌های استروئیدی و یائسگی زودرس (کمتر از ۴۵ سال) از جمله این عوامل است. استعمال دخانیات، کاهش استروژن در بدن و شرایط پزشکی خاص مانند پرکاری تیروئید، بیماری سلیاک، نارسایی مزمن کلیه، آرتریت روماتویید، بیماری‌های مزمن کبدی، دیابت نوع ۱ نیز از دیگر عوامل تسریع کننده کاهش تراکم استخوان به شمار می‌آید.

استفاده از سلول‌های بنیادی برای درمان پوکی استخوان

 تحقیقات انجام شده درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها از جمله پوکی استخوان را با استفاده از سلول‌های بنیادی امکان پذیر می‌داند؛ ولی مهم‌ترین چالش در استفاده از سلول‌های بنیادی برای درمان پوکی استخوان، نبود اطلاعات محققان در زمینه چگونگی تبدیل این سلول‌ها به سلول‌های استخوانی است. محققان دانشگاه میسوری برای حل این مشکل، روی سلول‌های بنیادی مشتق از چربی و چگونگی تبدیل آن‌ها به سلول‌های استخوانی تمرکز کرده‌اند و به سرنخ‌های ارزشمندی در این زمینه دست یافته‌اند.

در این مطالعه نمونه سلول‌های بنیادی چند بیمار از گروه‌های سنی مختلف در حین تبدیل به سلول‌های استخوانی توسط یک روش طیف سنجی به نام ECIS مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه نشان می‌دهد تبدیل سلول‌های بنیادی به سلول‌های استخوان در افراد دارای سن بالاتر، سریع‌تر است؛ ولی سطح کلسیم این سلول‌ها کمتر است. این مطالعه در درمان پوکی استخوان به روش سلول درمانی موثر است.

تولید دستگاه بی‌سیم باریک بر روی سطح استخوان 

پژوهشگران یک دستگاه بی‌سیم بسیار باریک تولید کرده‌اند که روی سطح استخوان قرار می‌گیرد و شاید روزی بتواند به پزشکان در نظارت بر سلامت و بهبود استخوان در بلندمدت کمک کند.

به گفته دیوید مارگولیس، پژوهشگر این پروژه «من به عنوان یک جراح از به کار بردن داده‌های جمع‌آوری‌شده با دستگاه‌های الکترونیکی روی سطح استخوان برای ارائه مراقبت‌های ارتوپدی شخصی‌سازی‌شده به بیمارانم، بسیار هیجان‌زده هستم. این کار با هدف تسریع توان‌بخشی و به حداکثر رساندن عملکرد پس از آسیب‌های تروماتیک صورت می‌گیرد.»

فیلیپ گوتروف پژوهشگر دیگر این پروژه معتقد است که «شکستگی‌های ناشی از مشکلاتی مانند پوکی استخوان، بیشتر از حملات قلبی، سرطان پستان یا سرطان پروستات به بستری شدن در بیمارستان منجر می‌شود. اگرچه این دستگاه هنوز برای استفاده در انسان بررسی و تایید نشده است، اما شاید روزی بتوان از این گونه دستگاه‌ها نه تنها برای نظارت بر سلامت، بلکه برای بهبود آن نیز استفاده کرد. توانایی نظارت بر سلامت دستگاه عضلانی اسکلتی انسان، بسیار مهم است. شما با کمک این رابط، اساسا یک رایانه روی استخوان دارید. این فناوری به ما امکان می‌دهد که دستگاه‌های پژوهشی برای دانشمندان ابداع کنیم تا بتوانند به وسیله آن‌ها، نحوه عملکرد دستگاه عضلانی اسکلتی انسان را کشف کنند و از اطلاعات جمع‌آوری‌شده برای بهبود و درمان بهره ببرند.»

توسعه میکروروبات‌ها در محل استخوان‌های شکسته

درمان شکستگی‌های استخوان بسیار دشوار و زمان‌گیر است و گاهی برای درمان باید استخوانی از بخش‌های سالم بدن برداشته و به بخش آسیب‌دیده پیوند زده شود. دمحققان دانشگاه‌های لینکوپینگ سوئد و اوکایاما در ژاپن برای حل این مشکل راه حلی اندیشیده‌اند. این پژوهش با الهام از بافت ملاج یا فونتانل نوزاد توسعه یافته که بافتی بسیار نرم و انعطاف‌پذیر است و عبور نوزاد از کانال زایمان را آسان می‌کند؛ ولی کمی پس از آن به بافتی سخت تبدیل می‌شود.

در این مطالعه یک نوار نازک از هیدروژل آلژینات (مشتق از جلبک) توسعه یافت که یک طرف آن پوششی از جنس پلیمر الکترواکتیو به نام پلی پیرول (PPy) قرار دارد و طرف دیگر حاوی مولکول‌های زیستی است که با عنوان PMNF شناخته می‌شوند.

هنگامی که ولتاژ پایینی به این ماده اعمال می‌شود، حجم آن افزایش می‌یابد. به دلیل اینکه پلیمر در یک سمت نوار قرار دارد، نوار به سمت دیگر خم می‌شود. با برش الگو‌های مختلف روی نوار می‌توان آن را به اشکال مختلفی مانند نیم‌دایره یا در بازکن تبدیل کرد. از طرفی PMNF از سلول‌های درگیر در فرایند رشد استخوان مشتق شده و وقتی در بدن انسان قرار می‌گیرد، شبیه به یک ماده معدنی و بسیار سخت می‌شود. محققان در تلاشند با استفاده از این مواد میکروربات‌هایی بسازند که در صورت شکستگی استخوان، در محل آسیب قرار گیرد و با استفاده از جریان الکتریکی، کسری استخوان را پر کند.

محققان در آزمایشگاه توانستند با موفقیت نوار‌هایی از این ماده را در محیطی شبیه به بدن انسان کشت دهند و با قرار دادن آن به دور استخوان مرغ، مشاهده کردند که بافتی شبیه به استخوان پیدا کرد. امید است بتوان این ماده را برای ترمیم استخوان‌های آسیب‌دیده انسان مورد استفاده قرار داد.

تولید چارچوب پلیمری جدید برای درمان پوکی استخوان

مهندسی بافت یکی از روش‌های جذاب برای ترمیم استخوان‌های شکننده و یا شکسته است. در این رشته از سلول‌های بنیادی، فاکتور‌های رشد و چارچوب‌ها برای تولید بافت‌های جدید استفاده می‌شود. چارچوب‌ها ساختار‌های متخلخلی هستند که به‌عنوان پایه برای تکثیر، تمایز و تشکیل بافت‌ها عمل می‌کنند. با این حال این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود قرار داشته وموانع زیادی وجود دارند که باید برطرف شوند. چارچوب‌ها که نقش بافت برون‌سلولی را ایفا می‌کنند، کیفیت و موفقیت تشکیل بافت‌های جدید را در مهندسی بافت بهبود می‌بخشند.

بیشتر بخوانید:

تنظیم سطح گلوکز خون با «پانکراس مصنوعی»/ فناوری به بهبود دیابت سرعت می‌بخشد

حفاظت از اندام‌های انسانی در برابر پاسخ ایمنی با مهندسی‌ژنتیک/ نابودی سیستم ایمنی در عمل خطرناک پیوند قلب پیش‌بینی می‌شود

لی ژو و همکارانش از موسسه مهندسی و تحقیقات مواد A*STAR یک سری مواد کوپلیمری برای ساخت چارچوب‌های مورد استفاده در مهندسی بافت ایجاد کرده‌اند. ویژگی‌های مکانیکی، شیمی سطح و تخلخل این چارچوب‌ها شبیه محیط برون‌سلولی بافت استخوان انسان می‌باشد. این چارچوب‌ها زیست‌تخریب‌پذیر و جاذب بسیار خوب آب و مواد معدنی کلسیمی هستند که این ویژگی‌ها برای تولید مجدد استخوان، ایده‌آل هستند. پلی‌هیدروکسی بوتیرات (PHB) یک پلیمر زیست‌سازگار، زیست‌تخریب‌پذیر و فراوان است که توسط باکتری‌ها تولید می‌شود. با این حال PHB به ندرت به‌عنوان ماده چارچوب استفاده می‌شود، زیرا شکننده و آبگریز است.

ژو و همکارانش با اضافه کردن بخش‌های پلی‌اتیلن گلیکولی (PEG) به زنجیره اصلی PHB آن را آبدوست و انعطاف‌پذیر کردند. سپس با استفاده از روش الکتروریسندگی، الیافی از کوپلیمر PHB-PEG را به شکل ساختار‌های متخلخل تولید کردند. اندازه‌گیری‌های انجام شده نشان دادند که می‌توان ماده تولید شده را قبل از پاره شدن تا ۲۰ برابر طول اولیه آن کشید. همچنین قدرت جذب آب چارچوب‌های تولید شده از این کوپلیمر جدید بسیار بیشتر از چارچوب‌های ساخته شده از PHB بوده و این چارچوب‌ها در طول مدت کشت سلول، یکپارچگی خود را حفظ می‌کنند. این گروه از محققان تکه کوچکی از چارچوب تولید شده را در مایعی شبیه مایع درون بدن که حاوی نمک‌های مختلفی همچون کلرید سدیم، کلرید کلسیم و دی‌سدیم هیدروژن فسفات بود قرار داده و مشاهده کردند که بدون نیاز به تغییرات سطحی، فرایند معدنی‌سازی در این ساختار‌های حفره‌ای اتفاق می‌افتد.