پلیمرهای پیوندی و کرایوبیولوژی

دسته: مقالات منتشر شده در 28 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 344


شیمی پلیمرهای پیوندی و کرایوبیولوژی

پلیمرها، به ویژه پلیمرهای باردار، کلید رسیدن به یک آینده پایدار هستند زیرا این قابلیت را دارند که بعنوان جایگزین ایده آلی برای پلاستیک عمل کنند که تاثیر گرمایش جهانی را کاهش داده و راهکارهایی برای رفع مشکلات آلودگی محیط زیست جهانی ارائه می دهد. اثبات شده است که پلیمرهای بیومتریال در بسیاری از زمینه ها از جمله کاربردهای بالینی بسیار موثر هستند. در کرایوبیولوژی و سرماداری، پلیمرها بعنوان جایگزین های معتبری برای مولکول های کوچک و سایر ترکیبات ظاهر شده و نتایج عالی به همراه داشته اند. این بررسی به تشریح نتایج حاصل از تحقیقات شیمی پلیمر و کرایوبیولوژی می‌ پردازد که قبلا در مورد آنها بحث نشده است. در اینجا، توضیح می‌دهیم که چگونه تحقیقات اخیر امکان توسعه کرایوپروتکتانت های پلیمری را با مکانیسم های جدید و یا توسعه روش های جدید برای انتقال درون سلولی مواد، مانند داروها، با استفاده از یک تکنیک کرایوبیولوژیکی به نام اثر غلظت-انجماد فراهم می کند. یافته‌های ما نشان می‌ دهد که همکاری بین رشته‌ ای بین کرایوبیولوژیست‌ها و شیمی ‌دانان پلیمر منجر به ایجاد پیشرفت های قابل توجه و هیجان انگیزی در بیولوژی سلولی و تحقیقات پزشکی شده است.

 

از مواد پلیمری به دلیل سهولت در افزودن قابلیت های متنوع از طریق طراحی مولکولی در زمینه های مختلف استفاده می شود. بعنوان مثال، در زمینه زیست پزشکی از پلیمرها بعنوان پوشش های سطحی برای مواد قابل کاشت، سوکت مواد برای مفاصل مصنوعی، بسترهایی برای سیستم های دارورسانی، داربست‌ها در مهندسی بافت یا پیوند عضو و مواد نوری مانند لنزهای تماسی و لنزهای داخل چشمی استفاده می شود. در زمینه پزشکی ترمیمی، مطالعات زیادی روی پلیمرها و مواد هیدروژل پلیمری در حال انجام است که می توان از آنها در ساخت داربست برای کشت سلولی استفاده کرد. شیمی پلیمر شامل دانش بنیادی و کاربردی می شود که نه تنها در حوزه بیوتکنولوژی، بلکه در حوزه های انرژی و الکترونیک نیز کاربرد دارد. برای مثال در بیولوژی سلولی که در تحقیقات زیست شناسی پزشکی نقش مهمی دارد، گزارش شده است که پلی وینیل الکل، یکی از ساده ترین پلیمرها، پتانسیل خوبی در کنترل تمایز سلولی دارد. دیدن گزارشات جدید از فعالیت های بیولوژیکی غیرمنتظره پلیمرهای ساده بسیار هیجان انگیز است. همچنین پلیمرها جایگاهی در زمینه کرایوبیولوژی پیدا کرده اند که قبلاً تحت سلطه مولکول های کوچک بود. از بین پلیمرهای کرایوپروتکتیو که در اینجا مورد بحث قرار گرفته‌اند، برخی از خواص شگفت انگیزی برخوردار هستند. در زمینه تحقیقات سلولی، تکنیک هایی برای انجماد و حفظ سلول ها با هدف تحویل و ذخیره سازی ابداع شده است. این فناوری بر تاثیر محافظتی افزودن یک کرایوپروتکتانت (CPA) به سلول ها متکی است. با افزودن CPA به مولکول کوچک، مانند دی متیل سولفوکسید (DMSO) و نگه داشتن سلول ها در دمای پایین، از سلول ها می توان در برابر آسیب در حین انجماد محافظت کرد. اگرچه پلیمرها اغلب در چنین مواردی استفاده نشده اند، اما افزایش فشار برای جلوگیری از افزودن DMSO که سیتوتوکسیک است و تمایز سلولی را تحت تاثیر قرار می دهد، باعث می شود تا تحقیقات انجام شده روی CPA های پلیمری به غشاهای سلولی نفوذ نکنند. DMSO همچنان CPA را در بسیاری از کاربردهای بیولوژیکی ترجیح می دهد زیرا هیچ اثرات منفی از خود نشان نداده است. ما اولین کسانی بودیم که پلی آمفولیت ها (پلیمرهای حاوی بارهای مثبت و منفی) با خواص کرایوپروتکتیو برای سلول ها را گزارش کردیم. علاوه براین، پلی آمفولیت ها را به منظور تعیین رابطه بین ساختار مولکولی و عملکرد، مکانیسم و کاربرد آنها مورد بررسی قرار دادیم. در شکل ساختار کرایوپروتکتانت هایی که در جدول زیر بیان شده اند، ارائه شده است.

 

شکل 1:

 The structures of various polymeric cryoprotectants

 

در جدول زیر نیز عملکرد کرایوپروتکتیو با افزودن کرایوپروتکتانت های پلیمری مختلف ارائه شده است.

 

جدول 1:

 Cryoprotective outcomes using various polymer cryoprotectants

 

کرایوبیولوژی شامل مطالعه رفتار سیستم های بیولوژیکی در دماهای پایین همچون دینامیک های بیومولکولی، سلول ها و میکروارگانیسم ها در حین فرایند انجماد می شود. با منجمد شدن سوسپانس سلولی، ابتدا مایع خارج سلولی منجمد شده و سپس املاح حذف شده از کریستال های یخ در فرآیندی به نام غلظت-انجماد جمع می شوند. این امر سلول ها را کم آب کرده و از تشکیل کُشنده یخ درون سلولی جلوگیری می کند که یک مکانیسم برای جلوگیری از آسیب انجماد به سلول ها است. در این مورد، افزودن موادی مانند میسل، نانوژل، نانوذرات حامل پروتئین ها و سایر مواد به سلول ها قبل از انجماد، غلظت آنها را در محلول اطراف سلولی افزایش داده و امکان غلظت مواد در اطراف سلول ها را با انجماد و ذوب فراهم می کند. علاوه براین، با استفاده از حامل های پلیمری با تمایل بالا برای غشاهای سلولی امکان افزایش انتقال مواد به سلول ها از طریق جذب در غشاء و جذب خودکار توسط سلول ها را فراهم می کند. این مقاله ارتباط بین حوزه های شیمی پلیمر و کرایوبیولوژی را بررسی می کند که شامل توسعه مواد کرایوپروتکتیو با استفاده از فناوری شیمی پلیمری و سیستم های دارورسانی داخل سلولی ساخته شده از مواد پلیمری مبتنی بر روند غلظت-انجماد، به ویژه استفاده از پلی آمفولیت ها بعنوان CPA های پلیمری می شود. علاوه براین، مکانیسم کریوپروتکشن در اینجا به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. ترکیبات پلیمری سازگارتر و کلی تر از همتایان مولکولی کوچک خود هستند و همچنین، پتانسیل خوبی در تحول توسعه CPA های جدیدتر و بیشتر دارند.

 

نتیجه گیری و چشم اندازهای آینده

به طور خلاصه، ما تحقیقات را در دو زمینه بررسی کرده و در مورد راه حل مسائل کرایوبیولوژی از دیدگاه علم پلیمری و کاربردهای کرایوبیولوژی بر پایه پلیمر در حوزه زیست پزشکی به بحث پرداخته ایم. مزیت های CPA های تهیه شده از مواد پلیمری را می توان وزن مولکولی، ساختار فضایی و ساختار زنجیره جانبی قابل کنترل را نام برد که بهینه سازی عملکردهای مرتبط با تغییرات ساختاری را فراهم می کند. بعنوان مثال، تشکیل هیدروژل با اتصال عرضی و استفاده از هیدروژل ها بعنوان داربست در کشت سلولی پس از ذوب را تسهیل می کند. اگرچه پلیمرها (به ویژه پلی آمفولیت ها) در چند دهه گذشته برای پیشبرد فناوری به کار رفته اند، اما CPA های مبتنی بر پلیمر هنوز در دوران طفولیت خود هستند و پژوهش های متمرکز بیشتری برای رفع چالش های فعلی و تسریع در کاربرد گسترده آنها نیاز است.  بهینه سازی مولکول ها با شبیه سازی دینامیک های مولکولی نیز در اینجا مورد مطالعه قرار گرفته است و انتظار می رود زمینه های تحقیقاتی جدیدی مانند ابداع CPA های جدید مبتنی بر داده از طریق یادگیری ماشین در آینده بیشتر تکامل پیدا کنند. در حال حاضر مرزهای پژوهشی بین حوزه های علمی شفافیت کمتری دارد و تبادل داده بین محققان از حوزه های مختلف مسیرهای جدیدی را برای انجام تحقیقات باز کرده‌اند. اینکه شاهد پیشرفت رشته های جدید دانشگاهی و در نتیجه، گرد هم آوردن دانش از حوزه های مختلف باشیم، هیجان انگیز است.