برهمكنشهاي خون – بيومتريال و انعقاد
1-4 مقدمه
عموما كاشتن يك بيومتريال يا وسيله در بدن همراه با ايجاد زخم و جراحت در بيمار است و خونريزي پيامدي است كه اتفاق مي افتد . در حقيقت خون اولين "بافتي" است كه كه سطح يك بيومتريال / وسيله با آن در تماس قرار مي گيرد . بسيار مهم است كه بدانيم پروسه هاي ترميم زخم و ترميم بافت بسيار تحت تاثير جراحت بافت قرار دارند ( مثلا از چگونگي يك فرآيند كاشت (Implantation) ) . مرگ سلولي ، شكستن / تغيير ماهيت ماتريس بين سلولي و از بين رفتن حالن عادي مجاري خوني اتفاقاتي هستند كه مستقيما ترميم زخم را تحت تاثير قرار مي دهند ، با شروع فاز اول : انعقاد ( شكل 2/0 ) . اين بخش منشا و نقش سلول ها و مواد شييايي موجود در خون را در فرآيند انعقاد و تجزيه فيبرين مورد بررسي قرار مي دهد.
2-4 سلولهاي منبع خون : مغز استخوان و سلول هاي بنيادي
خون مخلوطي از پلاسما(محلولي از آب ، نمك ها و پروتوئين ها ) ، انواع مختلفي از سلول ها و پلاكت ها (Platelets) ( اجزاي سلولي فعال از نظر بيولوژيكي ) است (شكل 1-4 ) .
منشأ تمام سلول هاي خوني مغز استخوان است كه در آنجا به واسطه فرآيند پيچيده اي موسوم به هماتوپوايسيس (Hematopoiesis) توليد مي شوند . در هنگام تولد ، مغز استخوان موجود در بدن قرمز بوده و سلول هاي خوني توليد مي كند اما با گذشت زمان ، مقدار زيادي از آن به بافت زرد رنگي (Adipose) تبديل گشته و فرآيند توليد سلول هاي خوني متوقف مي گردد . در هنگام استرس و بيماري اين تغيير مي تواند برعكس شود . با رسيدن انسان به سن بلوغ ، مغز استخوان هاي قرمز توليد كننده سلول هاي خوني ، بيشتردر استخوان هاي Cancellous (استخواني با ساختار باز ومتخلخل) مثل دو انتهاي استخوان هاي بازو (Humerae) ، استخوان هاي درشت ني (Tibiae) و ران (Femurs) و در قسمت هايي از لگن (Pelvis) ، دنده ها (Ribs) و جناغ (Sternum) ، يافت مي شوند . داخل مغز استخوان قرمز ، استروما (Stroma) قرار دارد (اين كلمه از واژه اي يوناني به معني " تخت خواب " گرفته شده است) . استروما يك شبكه سه بعدي از بافت اسفنجي است كه عمدتا ً از سلول ها و رشته هاي استحكام بخش تشكيل شده است (شكل 2-4) . در داخل استروما سينوس ها (فضاهاي خالي) و مويرگ هاي سينوسوئيدال (Sinusoidal Capillaries) قرار دارند كه ذخيره خوني را براي محفظه مغز استخوان تأمين مي كنند . سلول هاي خوني كه به طور مستمر در استروما توليد مي شوند با فشار وارد مويرگ هاي سينوسوئيدال شده و از آنجا به جريان خون راه پيدا مي كنند تا به ساير قسمت هاي بدن برسند .
تمام سلول هايي كه در چرخه گردش خون وجود دارند از يك نوع سلول در مغز استخوان به دست مي آيند : Pluripotent hematopoietic stem cell . Pluripotent بدين معني است كه يك سلول اين توانايي را دارد خود را تكثير كند و به انواع گوناگوني ديگري تبديل شود. واژه hematopoietic از دو قسمت hema به معني " خون " و poietic به معني " سازنده " تشكيل شده است . نهايتا ً واژه stem cell به سلول هايي اطلاق مي شود كه قادر به تكثير و توليد انواع ديكري از سلول ها باشند . Pluripotent hematopoietic stem cells (PHSCs) ، multipotent هستند بدين معني كه قادر به توليد سلول هاي مختلفي در يك كلاس هستند (مثلا كلاس سلول هاي خوني يا كلاس سلول هاي پوستي) لذا كاملا از نوع totipotent كه قادر به توليد هر نوع سلولي هست متمايز هستند. PHSCs نسبتا كمياب هستند – چنين تخمين زده مي شود كه احتمالا از هر 1000 سلول مغز استخوان تنها يكي از آن ها PHSC است – و در طول زندگي يك شخص هميشه وجود دارند مگر اينكه وي به آسيب هاي پرتويي يا بيماري هاي خاصي مبتلا شده باشد.ميزان سلول هاي خوني كه توسط PHSC ها و بقيه سلول هاي خون ساز (Hematopoietic) در مغز استخوان توليد مي شود يك اونس (28 گرم) در هر روز است.اين مقدار در ابتدا چندان زياد به نظر نمي آيد ولي با در نظر گرفتن اينكه هر اونس خون شامل 260 ميليارد سلول تازه است پي به اهميت آن خواهيم برد.
PHSC ها مي توانند تكثير شوند (توليد PHSC هاي بيشتر كنند) و يا به دو نوع سلول بنيادي جديد مشتق گردند: سلول هاي بنيادي ليمفوئيد (Lymphoid stem cells) و سلول هاي بنيادي ميوليد (Myeloid stem cells). سلول هاي بنيادي ليمفوئيد از مغز استخوان به فسمت هاي مختلف سيستم لنفاوي مهاجرت مي كنند (گره هاي لنفي،طحال،تيموس) و در اينجاست كه lymphocytes (گلبول هاي سفيد سيستم لنفاوي) را توليد مي كنند . سلول هاي بنيادي ميوليد در مغز استخوان باقي مي مانند و تمامي سلول هاي موجود در خون را توليد مي كنند . در مورد سلول هاي موجود در خون زياد شنيده ايم : گلبول هاي قرمز حامل اكسيژن،پلاكت ها كه نقش مهمي در فرآيند انعقاد خون بازي مي كنند و گلبول هاي سفيد كه بخشي از سيستم دفاعي بدن در مقابل اجسام خارجي (مثل بيومتريال ؟) هستند.در شكل 3-4 اجزاي سازنده هر كدام ار اين سلول ها نشان داده شده است.لازم به ذكر است كه بسياري از مراحل مياني نشان داده نشده اند . بسياري از اين بخش هاي حذف شده در تصاوير بعدي و در هنگام بررسي عملكرد هر كدام از سلول ها مورد بررسي قرار خواهند گرفت.
3-4 گلبول هاي قرمز
1-3-4 شكل گيري و عملكرد
گلبول هاي قرمز محصول نهايي و مرحله آخر يك فرآيند طولاني از تقسيم و تغيير سلولي هستند كه در شكل 4-4 نشان داده شده است.با وجود آنكه اين سلول ها كمترين نقش را در ترميم زخم و برهمكنش هاي خون – بيومتريال ايفا مي كنند ، ولي توليد و عملكرد آن ها مي تواند براي بررسي اصول بيولوژيكي و مفاهيم مهندسي مورد توجه قرار گيرد.
نمودار نشان داده شده در شكل 4-4 مي تواند به عنوان معياري براي ترجمه برخي لغات كاربردي در بررسي سلول ها به كار رود.به عنوان مثال،پيشوند erythro تقريبا در تمامي قسمت ها ديده مي شود . اين پيشوند نشان دهنده رنگ قرمز است.Cyte نشان دهنده سلول بوده و blast براي مشخص كردن سلول پيشروي اوليه (precursor cell) مورد استفاده قرار مي گيرد. Precursor cellيك سلول با توانايي تغيير و تبديل به انواع ديگر سلول ها است.Reticulocite تنها سلولي است كه از اين طرح نامگذاري پيروي نمي كند: Reticuloنشان دهنده وجود شبكه اي از رشته ها (filaments) است.با تكثير سلول هاي موجود در سرشاخه با قسمت شدن،ماهيت آن ها هم به تدريج تغيير مي كند. (proerythroblast تبديل مي شود به basophil erythroblast و آن نيز به نوبه خود به polychromatic erythroblast تغيير مي كند و...)؛با ادامه يافتن اين فرآيند هر سلول جديد حجم كمتري نسبت به سلول قبلي خواهد داشت و ماده هسته در فضاي كوچكتر و كوچكتري فشرده خواهد شد.
در مرحله Orthochromatic erythroblast،تقسيم ميتوز(mitosis)متوقف شده و به جاي آن،هسته از سلول حذف شده(اغلب در حين فرآيند فشرده شدن سلول از Stroma به مويرگ هاي سينوسوئيدال)ودر نهايت Reticulocyte باقي مي ماند(شكل 5-4). Reticulocyteها شامل مقادير كوچكي از هسته باقيمانده هستند – رشته هايي كه نام سلول از آن ها گرفته شده است – و به عنوان Erythrocyte هاي نابالغ در نظر گرفته مي شوند.درطي چند روز،رشته هاي هسته باقيمانده مثل ميتوكندري ها،ريبوزم ها و ساير آنزيم ها،تغيير ماهيت مي دهند (Denature) و Reticulocyte به يك Erythrocyte بالغ تبديل مي شود.
از آنجا كه Erythrocyte ها،فاقد هسته و يا ساير ارگانل هاي موجودر سيتوپلاسم كه براي سنتز پروتوئين ها ضروري هستند مي باشند،اين سلول ها تكثير نمي شوند و هموگلوبين سنتز نمي كنند. Erythrocyteهاي موجود در بدن انسان مي توانند در سيستم گردش خون تا 120 روز زنده بمانند.پس از اين مدت است كه از بدن خارج مي شوند.
عمل خارج كرذن آن ها از سيستم گردش خون توسط سلول هاي خاصي در طحال ومغز استخوان صورت مي گيرد كه سلول هاي مرده و اجزاي خارجي را تشخيص داده و از بين مي برند(اين سلول هاي متخصص در جمع آوري مواد زايد macrophage ها هستند كه در بخش 5 در مورد آن ها بحث مي كنيم).لذا براي تامين اكسيژن مورد نياز بدن،فرآيند توليد گلبولهاي قرمز دائما اتفاق مي افتد و با افزايش نياز بدن به اكسيژن مي تواند تشديد شود.
برخي پارامترهايي كه موجب اكسيژن رساني ضعيف به بافت مي شوند(مثل كم بودن حجم خون،آنمي،بيماري ريوي،يا پايين بودن سطح هموگلوبين)توليد گلبول هاي قرمز را با افزايش سطح Erythropoietin تحريك مي كنند(شكل 6-4).
Erythropoietin ها عموما در كليه ها توليد مي شوند و توليد آن ها مي تواند براي دقايق و يا حتي ساعت ها تشديد شود خصوصا براي مواقعي كه شخص در يك محيط با اكسيژن كم قرار گرفته است. Erythropoietin ها توليد Proerythroblast ها را از سلول هاي بنيادي Hematopoietic در مغز استخوان تشديد مي كنند و گلبول هاي قرمز جديد در حدود 5 روز پس از اولين احساس كمبود اكسيژن وارد گردش خون مي شوند.توليد Erythropoietin ها ادامه مي يابد و به طبع آن گلبول هاي قرمز بيشتري توليد مي شوند تا وقتي كه ميزان اكسيژن بافت به مقدار طبيعي بازگردد.
2-3-4 تغيير فرم و سياليت خون
(Deformation & Blood Flow)
در شرايط طبيعي،Erythrocyte ها به شدت قابليت تغيير فرم دارند – آن ها فاقد هسته هستند . مي توانند به عنوان يك قطره مايع،شامل هموگلوبين و مقادير كمي آنزيم در نظر گرفته شوند كه در يك دولايه چربي(غشاء سلول)پيچيده شده است – .عموما Erythrocyte ها به صورت مقعر در هر دو طرف هستند(biconcave) و قطري حدود mµ 7 دارند.مقعرالطرفين بودن شكل آن ها موجب بيشينه شدن نسبت سطح مقطع به حجم مي شود و اگر مقاومت غشاء سلول نسبت به خمش را ناچيز در نظر بگيريم،نشان دهنده فشار تعادلي داخل و خارج غشاء گلبول قرمز خواهد بود.برخي مويرگ ها در داخل بدن انسان قطري بين 5 تا 7 ميكرومتر دارند لذا Erythrocyte ها بايد به ميزان زيادي تغيير فرم دهند تا در اين رگ هاي كوچك جاي بگيرند(شكل 8-4).تغيير فرم Erythrocyte ها نقش مهمي در تعيين خواص سياليت خون دارد.پلاسماي معمولي خون رفتاري شبيه به سيال نيوتني دارد.درچنين سيالي،نيروي برشي اعمالي به سيال(τ) از حاصل ضرب گراديان سرعتي در داخل سيال(du/dy) در ضريب سياليت (µ) به دست مي آيد:
ويسكوزيته يك سيال نيوتني مثل پلاسماي خون،يك خاصيت ترموديناميكي است و با فشار و دما تغيير مي كند.تمام خون(شامل پلاسما و اجزاي سلولي خون)يك سيال غير نيوتني است چون ويسكوزيته آن با سرعت برش اعمالي و يا ميزان Hematocrit (درصد سلول ها در خون) تغيير مي كند(شكل 10-4)
خواص غير نيوتني سيلان خون به خاطر رفتار خاص گلبول هاي قرمز است.در سياليت هاي پايين (و به طبع آن سرعت هاي برش كم)،گلبول هاي قرمز انسان در مجموعه هاي انبوهي متراكم مي شوند كه موسوم به rouleaux هستند (شكل 11-4)؛با رسيدن سرعت برش به صفر اين rouleaux در اجرام بزرگتري (Masses) متراكم مي شوند و خون رفتاري شبيه به يك جامد پيدا خواهد كرد.با افزايش سرعت برش برهمكنش غشاء هاي پروتوئيني كه rouleaux را به هم چسبيده نگه مي دارد مي شكند و ويسكوزيته خون كاهش مي يابد.
در سرعت هاي برش بالاتر،Erythrocyte ها كشيده شده و با خط جريان سيال همراستا مي شوند كه باعث كاهش آشكار ويسكوزيته خون مي شود. شكل مقعرالطرفين Erythrocyte اين اجازه را به سلول مي دهد كه كمي تغيير فرم دهد بدون آنكه سطح مقطع كل افزايش يابد و افزايشي در انرژي سطحي آن رخ دهد.
تغييرات در شكل Erythrocyte (شكل 12-4) مي تواند به واسطه تغيير PH و اسمولاريتي رخ دهد گرچه برخي شرايط بيماري نيز مي توانند عامل آن باشند. اسمولاريتي در شكل 13-4 نمايش داده شده است و آن را مي توان به عنوان تمايل آب براي حركت در طول يك غشاء نيمه تراوا براي رسيدن به تعادل غلظتي يك ماده حل شده،در نظر گرفت.در حقيقت حركت سيال براي رسيدن به پتانسيل شيميايي تعادلي اتفاق مي افتد. اسمولاريتي بسيار شبيه به مولاريتي است.هر دو مفهوم بر مبناي تعداد اجزاي يك ماده حل شده در يك حلال است نه جرم ماده حل شده در حلال.اما اسمولاريتي در مورد مواد حل شده اي است كه به چندين جزء در حلال تجزيه مي شوند.به عنوان مثال،يك مول NaCl كه در يك ليتر آب قرار گرفته است توليد يك محلول 1 مولار مي كند.يك مول NaCl در يك ليتر آب توليد يك محلول 2 اسمولار مي كند چون NaCl به دو يون تجزيه خواهد شد: Na+و Cl-.بار در مفهوم اسمولاريتي وارد نمي شود لذا اسمولاريتي يك يون Cl- با يك يون Ca2+ يكسان خواهد بود.اگر يك سلول زنده در محلولي با غلظت بالاتر از اجزاي حل شده و يا اسمولاريتي بالاتر از حد فيزيولوژيكي فرار گيرد،اين محلول هايپرتونيك موجب مي شود آب از راه غشاء سلول از آن خارج شود.اين از دست دادن آب باعث كوچك شدن (shrink) سلول مي شود. اگر يك سلول زنده در محلولي با غلظت پايين تر از اجزاي حل شده و يا اسمولاريتي پايين تر از حد فيزيولوژيكي فرار گيرد،اين محلول هيپوتونيك موجب مي شود آب وارد سلول شود و سلول منبسط گردد.اگر سلول خيلي زياد يا سريع باد كند،غشاء پاره شده (lyse) و سلول مي ميرد.
هنگام كار در آزمايشگاه بايد به اين نكته توجه شود كه سلول هاي زنده وبافتها بايد در معرض محلول هاي نمكي ايزوتونيك (با فشار اسمزي يكسان) به جاي آب قرار گيرند.(به عنوان مثال،ازمحلول نمكي بافر شده با فسفات مي توان نام برد.اين محلول در آزمايشگاه هاي سلولي بسيار مورد استفاده است و از آن با نام مختصر "PBS" ياد مي كنند.) آب نسبت به داخل سلول ايزوتونيك است لذا غوطه ور كردن يك سلول در آن يك روش بسيار خوب براي گسستن غشاء است.در مورد Erythrocyte ها،باد كردن اسمتيك،غشاء را به سمت خارج ودر جهت يك شكل كروي،متورم مي كند تا اينكه در نهايت سلول مي تركد.
شكل تغيير فرم پذير طبيعي Erythrocyte ها بسيار در عملكرد آن ها موثر است:اگر به اين اندازه تغيير فرم پذير نبودند،قادر به عبور از مويرگ هاي كوچك نبوده و موجب توقف جريان خون و در نتيجه ايجاد خلاء اكسيژن در بافت ها (hypoxia) مي شدند.متاسفانه،اين اتفاق در بيماري sickle-cell مي افتد. Sickle-cell يك بيماري ارثي است كه بر هموگلوبين تاثير مي گذارد.مولكول هموگلوبين از چهار زنجير هموگلوبين تشكيل شده است.هر كدام از آن ها شامل يك آهن با يك گروه هِم (با قابليت جذب اكسيژن) ويك پلي پپتيد (زنجيري از اسيدهاي آمينه) بلند است.زنجيرهاي هموگلوبين در چهار دسته آلفا،بتا،گاما و دلتا طبقه بندي مي شوند كه اين دسته بندي بر اساس تركيب شيميايي پلي پپتيد است.معمول ترين نوع هموگلوبين در افراد بالغ،شامل دو زنجير آلفا و دو زنجير بتا است.در بيماري sickle-cell يك جهش (mutation) در DNA ژني كه پلي پپتيد زنجير بتا را كد مي كند،اتفاق مي افتد.به طور دقيق،سه گانه GAA،كه اسيد گلوماتيك را كد مي كند،با سه گانه GUA كه كد كننده والين است،جابجا مي شود.در نتيجه،هنگام توليد هموگلوبين توسط سلول ها در پروسه ايجاد Erythrocyte (از proerythroblast ها تا reticulocyte ها)،زنجيرهاي بتا،با يك اسيد آمينه جابجا سنتز مي شوند؛يك والين در جاي يك اسيد گلوتاميك قرار مي گيرد.
اين جابجايي سبب مي شود هموگلوبين تحت شرايط اكسيد كننده پايين پليمريزه شود كه منتهي به تشكيل بلورهاي كشيده شده در گلبول هاي قرمز مي شود كه مي توانند طولي تا µm15 داشته باشند (شكل 14-4).اين بلورها قابليت انعطاف ندارند و اغلب شبب مي شوند كه Erythrocyte هاي مريض sickled)) مويرگ ها و رگ هاي كوچك را مسدود كنند. بلورهاي تيز و گوشه دار همچنين اين قابليت را دارند كه غشاء Erythrocyte را پاره كنند.اگر گلبول هاي قرمز زيادي توسط اين هموگلوبين هاي پليمر شده پاره شوند،غلظت كلي هموگلوبين فعال در خون به شدت افت خواهد كرد كه به بيماري sickle-cell مشهور است.اين بيماري مثالي است كه نشان مي دهد چگونه يك تغيير كوچك در شيمي و در نتيجه در ساختار و عملكرد يك پروتئين،موجب تاثيرات فيزيولوژيكي شديد مي گردد.
4-4 پلاكت ها
1-4-4 تشكيل و عملكرد
پلاكت ها از مغز استخوان منشاء مي گيرند.از خرد شدن سلول هاي بزرگتري (شكل 15-4) كه از megakaryoblast ها به دست مي آيند،در نهايت پلاكت به دست مي آيد. Megakaryoblastها (mega به معني بزرگ و karyo نشان دهنده هسته است) كه قطرشان بين 15 تا 50 ميكرومتر متفاوت است قبل از تبديل شدن به megakaryocyte تغييرات زيادي مي كنند.مقدار DNA موجود در هسته آنها حدود سي برابر مي شود.سيتوپلاسم megakaryocyte ها شامل تعداد زيادي شبكه هاي اندوپلاسميك خشن تكامل يافته ،مجموعه هاي گلژي وسيع ومقادير زيادي ميتوكندري است.
با بالغ شدن سلول،غشاء از داخل تا مي خورد و يك شبكه در سيتوپلاسم ايجاد مي كند.اين غشاءها را "غشاء هاي سرحد" (demarcation membranes) مي گوييم. Megakaryocyteدر طول غشاءهاي سرحد مي شكند كه علت آن تنشي است كه با فشرده شدن در شبكه مغز استخوان يا شبكه رگ هاي خوني (وقتي به مويرگهايي با فطر كم فشرده مي شود) ايجاد مي شود. بخش كوچكي از سيتوپلاسم megakaryocyte كه شامل غشاء هاي سرحد است (با قطر تنها mµ4-2) پلاكتها را تشكيل مي دهد(شكل 16-4).
پلاكت ها هسته ندارند لذا نمي توانند تكثير شوند؛بعد از يك نيمه عمر 8 تا 10 روزه، پلاكت هاي غير فعال توسط ماكروفاژهاي تميز كننده در طحال جمع آوري مي شوند.شكل 17-4 تصوير پلاكت هاي انسان را نشان مي دهد.يك سري دانه هاي گرد در اين شكل واضح هستند.
دانه ها حاوي يك سري مواد شيميايي هستند كه در فرآيند انعقاد مهم مي باشند.پلاكت ها همچنين داراي پرتوئين هاي انقباضي مثل اكتين،ميوزين و ترومبوستنين هستند.شبكه آندوپلاسمي،دستگاه گلژي و ميتوكندري باقيمانده از megakaryocyte به عنوان يك منبع كوتاه مدت آنزيم ها،ATP و كلسيم براي استفاده پلاكت ها عمل مي كنند.چنين موضوعي موجب مي شود با وجود اينكه هر دو پلاكت ها و Erythrocyte ها محصولات سيتوپلاسمي تخريب سلول هاي اوليه هستند،پلاكت ها بر خلاف Erythrocyteها از نظر عملكرد وپاسخ بسيار فعال باشند.
يكي از وظايف اصلي پلاكت ها در گردش خون "مسدود كردن سوراخ ها" در رگ ها است كه با پوشاندن موضع جراحت انجام مي پذيرد و از خروج هر چه بيشتر خون جلوگيري مي كند.پلاكت ها به سلول هاي سالم endothelial در ديواره رگ نمي چسبند (شكل 18-4) اما به بافت همبند بدون حفاظ موجود در ديواره رگ مجروح به شدت چسبندگي پيدا مي كنند.همين اتفاق براي بسياري از بيومتريال هاي ساخته دست بشر نيز ممكن است بيفتد.از آنجا كه چسبندگي يك عملكرد بسيار مهم براي اين اجزاي سلولي است،غشاء پلاكت ها داراي گليكوپروتئين ها و دريافت كننده هاي چسبندگي adhesion receptors)) خاصي هستند(مثلا،جفت دريافت كننده گليكوپروتئين b/ІІІaІІ).اين دريافت كننده ها مي توانند با پپتيدها يا تسلسل هاي خاصي از اسيدهاي آمينه برهمكنش داشته باشند؛ مثل آرجنين- گلايسين- اسيد اسپارتيك.اين ترتيب اسيدهاي آمينه بخشي از كلاژن را تشكيل مي دهد.كلاژن يك پرتوئين لايه زيرين غشاء است كه روي آن را لايه اي از سلول هاي endothelial سالم مي پوشانند.وقتي endothelium مجروح شود و كلاژن در معرض جريان خون قرار گيرد،پلاكت ها از طريق دريافت كننده هاي غشاء به آن مي چسبند.علاوه بر آن،برخي پرتوئين هاي موجود در سرم خون با اجزاي زيرين غشاء پيوند هاي قوي مي دهند.به عنوان مثال،عامل von Willebrand با شدت زيادي به كلاژن مي چسبد؛بعد پلاكت ها اين توانايي را پيدا مي كنند كه از طريق دو نوع دريافت كننده هاي غشاء به عامل von Willebrand بچسبند.هنگامي كه پلاكت ها به سطح يك بيومتريال جذب سطحي شوند و تغيير تركيب دهند اين توانايي را پيدا مي كنند كه به ساير پرتوئين هاي سرم خون بچسبند.وقتي پلاكت ها به يك سطح چسبندگي پيدا مي كنند،آبشاري از وقايع ادامه پيدا مي كند كه منجر به تشكيل "پلاگ پلاكت" شده و آغاز كننده فرآيند انعقاد (coagulation) يا لخته زايي (blood clotting)است.
2-4-4:تجمع پلاكت ها و فرآيند انعقاد
شكستگي وجراحت رگ هاي خوني هميشه اتفاق مي افتد.اين جراحت ها عموما به خاطر ضربه هاي كم اهميت،كشيدگي ها و آسيب هايي است كه روزانه تجربه مي كنيم.وقتي سلول هاي آسيب ديده endothelial و ساختارهاي آسيب ديده subendothelial مثل رشته هاي كلاژن در معرض جريان خون قرار بگيرند،پلاكت ها به اين نشانه هاي آسيب ديدگي از طريق دريافت كننده هاي غشاء مي چسبند (شكل 19-4).وقتي يك پلاكت به يك سطح مي چسبد،پرتوئين هاي منقبض كننده آن فشرده مي شود و پلاكت پهن شده و "پاهايي" ايجاد مي كند كه به pseudopodia يا پاي كاذب مشهور است.با اين كار اين توانايي را پيدا مي كند كه فضاي بيشتري را نسبت به قبل بپوشاند (شكل هاي20-4 و 21-4).درهمين زمان (در طي چند ثانيه) ، انقباض موجب مي شود پلاكت ها دانه هايشان را از دست بدهند (degranulate) (شكل 17-4).اين عمل موجب رهايش مقاديري مواد شيميايي شامل ADP و thromboxane A2 مي شود.اين دو ماده فعال كننده هاي قوي پلاكت ها هستند و گيرنده هاي چسبنده غشاء سلول مثل b/ІІІaІІ glycoprotein را تحريك مي كنند كه در نتيجه پلاكت هاي مجاور وارد عمل شده و به پلاكت هاي قبلي و موضع زخم مي چسبند.اين پلاكت هاي جديد نيز به نوبه خود دانه هايشان را از دست مي دهند و فرآيند تجمع پلاكت ها در موضع جراحت را تسريع مي كنند و در نهايت در موضع زخم با يك platelet plug روبرو خواهيم بود.انقباض اضافي اكتين و ميوزين در توده پلاكت ها به فشرده شدن و پايدار كردن هر چه بيشتر اين plug كمك مي كند و لبه هاي زخم را به سمت هم مي آورد.به علاوه،برخي مواد شيميايي كه از اين پلاكت هاي تجمع كرده رها مي شود در فرآيند انعقاد نقش دارند.محصول نهايي فرآيند انعقاد توليد رشته هاي چسبنده اي از پرتوئين موسوم به فيبرين (fibrin) است.رشته هاي فيبرين به پلاگ پلاكت ها متصل شده و به يكپارچه كردن آن كمك مي كنند.عملكرد ديگر آنها به دام انداختن Erythrocyte هاي مجاور است؛در اين مرحله پلاگ پلاكت ها به يك لخته خوني تبديل شده است (شكل 22-4 و23-4).
دو مكانيزم عمده وجود دارد كه به كمك آنها مواد شيميايي رها شده از پلاكت هاي مجتمع به تشكيل لخته خوني كمك مي كنند.اول،برخي مواد شيميايي توليد شده با آبشار اسيد آركيدونيك (Arachidonic acid cascade) (شكل 24-4) در داخل پلاكت ها بر ميزان تجمع آنها و تشكيل پلاگ تاثير مي گذارند. آبشار اسيد آركيدونيك با حضور مواد شيميايي ناشي از ساير پلاكت ها تحريك مي شود.برخي محصولات آبشار اسيد آركيدونيك به آساني در غشاء ساير پلاكت ها نفوذ مي كنند وبه تجمع هر چه بيشتر آنها كمك مي كنند در حالي برخي ديگر از محصولات آبشار اسيد آركيدونيك مانع از تجمع پلاكت ها مي شوند.Cyclooxygenase يك "نقطه كنترل" اصلي در آبشار اسيد آركيدونيك است.
عملكرد آن توسط آسپرين و ساير داروهاي ضد التهابي غير استروئيدي متوقف مي شود.اين موضوع علت اصلي استفاده از غلظت هاي بالاي آسپرين براي از بين بردن انعقاد در يك بازه زماني كوتاه است.عموما آسپرين براي بيماراني كه ريسك حمله قلبي (انسداد شريان هاي خوني ) دارند تجويز مي شود تا از تشكيل لخته جلوگيري شود.
دومين مكانيزمي كه پلاكت هاي تجمع كرده به وسيله آن به فرآيند انعقاد كمك مي كنند،را مي توان به اين صورت نشان داد؛برخي فاكتورهايي كه توسط پلاكت ها ايجاد مي شوند،در توليد رشته هاي فيبرين مورد استفاده قرار مي گيرند (به شكل 25-4رجوع شود).فاكتور Vتوسط پلاكت ها رها مي شود و با تماس با آنزيمي موسوم به thrombin فعال مي شود (با علامت اختصاري "a" در شكل 25-4نشان داده شده است).فاكتور Va و فاكتور Xa (فرآورده شيميايي ساير مكانيزم هاي انعقادي است) با هم تركيب مي شوند تا ماده هاي موسوم به فعال كننده پروترومبين ايجاد كنند.نقش اين ماده اين است كه پروتوئين پروترومبين پلاسما را به اجزاي سازنده اش خرد مي كند و با اين كار ترومبين بيشتري ايجاد مي شود.آنزيم ترومبين اجزاي پپتيدي پرتوئين ديگري از پلاسما (fibrinogen) را مي شكند ومونومرهاي fibrin توليد مي كند.مونومرهاي فيبرين با كمك يك فاكتور stabilizing پليمريزه مي شوند (فاكتور XIII) كه توسط پلاكت ها رها شده و با كمك ترومبين فعال مي شود تا در نهايت رشته هاي فيبرين شكل بگيرند.
دو ماده شيميايي كه در بالا عنوان شد داراي نقش اصلي در توليد رشته هاي فيبرين هستند،همچنين نقش مهمي در فرآيند تجمع پلاكت ها ايفا مي كنند. فيبرينوژن براي چسبيدن پلاكت ها به هم و ايجاد تجمع لازم است.ترومبين نيز چسبندگي پلاكت به پلاكت را افزايش داده وعلاوه بر آن،فرآيند فعال شدن و از دست دادن حالت دانه اي را تسريع مي نمايد كه خود منجر به توليد ترومبين بيشتر مي گردد.از آنچه گفته شد مي توان چنين نتيجه گرفت كه واكنش هاي شيميايي كه به طور شماتيك در شكل 25-4 نشان داده شده اند وهمگي در جهت ايجاد پلاك پلاكتي مي باشند،داراي تعداد اندكي اجزاي اصلي (مثل ترومبين،فيبرينوژن،كلسيم و دريافت كننده هاي غشاء پلاكت) هستند كه براي تشكيل لخته خوني بسيار ضروري و لازم هستند.
5-4 آبشارهاي انعقادي
1-5-4 مكانيزم ها
آيا تا به حال از خود پرسيده ايد كه چرا يك برش كوچك از يك چاقوي تيز يا يك تيغ شديدا ايجاد خون ريزي مي كند،در حالي كه خونريزي دريك جراحت ناگهاني بزرگتر ناشي از يك ابزار كند ( مثلا له كردن انگشت لاي در) به سرعت متوقف مي شود؟جواب اين سوال را مي توان با به دست آوردن فهم كاملي از چگونگي تاثير جراحت بر روي بافت ها و شريان هاي خوني،كه كنترل كننده فرآيند انعقاد خون مي باشند به دست آورد. به عبارت ديگر دانايي بر مفاهيم تشنج شرياني(Vascular spasm) و مسير خارجي انعقاد(Extrinsic coagulation pathway) در حل چنين موضوعاتي راهگشا خواهد بود.
تشنج شرياني،يك تنگ شدگي يا انقباض شريان هاي خوني است،كه جريان خون را به طور ناگهاني متوقف يا كند مي كند.انقباض ماهيچه هاي صاف در ديواره آسيب ديده،با رفلكس هاي عصبي تحريك مي شود كه احتمالا مربوط به ايمپالس دردي است كه از محل جراحت ناشي مي شود و با متابوليسم هاي كوچك عمل كننده مثل endothelin تكميل مي شود.در شريان هاي خوني كوچك تر،مواد شيميايي كه به وسيله پلاكت هاي آسيب ديده يا فعال شده رها شده اند –مثل thromboxane A2- به عنوان منقبض كننده موضعي (local vasoconstrictor) عمل مي كنند.با افزايش جراحت هاي شرياني ميزان تشنج شرياني افزايش يافته و جريان خون در محل زخم كاهش مي يابد و خونريزي متوقف مي شود.
جراحت بافت ها و شريان هاي خوني نيز با فعال كردن يكي از مسيرهاي انعقادي باعث شروع لختگي مي شود.انعقاد نتيجه فعاليت هاي شيميايي آبشاري پروتوئين هاي پلاسماست (عوامل لختگي).اين عوامل كه در حالت عادي غيرفعال مي باشند،از طريق جريان خون منتقل شده و به واسطه شكستن آنزيم ها و/ يا تماس سطحي (با،به عنوان مثال،غشاءهاي فعال شده پلاكت ها يا سطح يك بيومتريال) فعال مي شوند.مسير خارجي (extrinsic pathway) يك مسير انعقادي است كه با جراحت در ديواره رگ ها يا بافت هاي اطراف آنها آغاز مي شود (شكل 26-4).جراحت بافت ها موجب رها شدن ترومبوپلاستين آنها مي شود كه مجموعه اي از چندين عامل مثل فسفوليپيدهاي غشاءهاي سلول هاي آسيب ديده و مخلوط ليپوپروتوئين است.
تركيب ليپوپروتوئين مي تواند به عنوان يك آنزيم پروتئوليتيك (هضم كننده پروتوئين) عمل كند.ترومبوپلاستين بافت تركيب شده و فاكتور VII را فعال مي كند كه اين تركيب نيز مي تواند به نوبه خود فاكتور X را به صورت آنزيمي فعال كند.فاكتور Xa با فسفوليپيدها تركيب شده (از ترومبوپلاستين بافت يا از پلاكت ها) و با فاكتور Va،فعال كننده پروترومبين را تشكيل مي دهد.در اين لحظه در آبشار خارجي،همان واكنش هاي نشان داده شده در شكل 27-4اتفاق مي افتند با همان حلقه بازخور مثبت به خاطر ترومبين و همان نتيجه قبلي: تشكيل فيبرين.
مسير داخلي (intrinsic pathway)،يك آبشار انعقادي است كه با قرار گرفتن خون در معرض يك سطح خارجي (سطحي كه عضوي از يك سلول اندوتليال سالم و طبيعي نيست) يا با جراحت پلاكت ها در داخل خون (مثلا از طريق برهم كنش ها با يك سطح خارجي) ايجاد مي شود.مسير داخلي (شكل 27-4) مي تواند با تماس خون با كلاژن موجود در زيراندوتليم (subendothelium) يا يك بيومتريال آغاز شود.اين يك نكته مهم است كه بايد از ديدگاه بيومتريال بسيار به آن توجه كرد:انعقاد خون با كاشت يك بيومتريال يا يك وسيله به صورت خودكار آغاز مي گردد.در فصل پنجم خواهيم ديد كه انعقاد به صورت خودكار آغاز كننده فاز التهابي فرآيند ترميم زخم مي باشد.بنابراين،با وجود اينكه شدت انعقاد،التهاب و اتفاقات در سطح بين بيومتريال و بافت به شدت وابسته به خواص سطحي بيومتريال است،ولي هر بيومتريال موجب ايجاد يك پاسخ بيولوژيكي از بدن مي گردد.تا كنون هيچ گونه بيومتريال خنثي كشف نگرديده است.
براي شروع آبشار داخلي،فاكتور XII به سطح خارجي چسبيده و فعال مي شود كه يك سري واكنش هاي زنجيري را آغاز مي كند.پلاكت هايي كه به سطح خارجي (در تعريف به هر سطحي به جز غشاء سلول اندوتليال سالم،سطح خارجي اطلاق مي شود) مي چسبند يا پلاكت هاي آسيب ديده از غشاءهايشان فسفوليپيد و مخلوطي موسوم به فاكتور 3 پلاكت رها مي كنند.اين تركيبات به دست آمده از پلاكت ها،مي توانند در دو نقطه آبشار داخلي رسوب كنند:در حين فعال شدن فاكتور X و در حين تشكيل فعال كننده پروترومبين (درست شبيه ترومبوپلاستين بافت كه براي تشكيل فعال كننده پروترومبين در مسير خارجي ضروري است).بايد به اين نكته توجه كرد كه مسير داخلي همان طور كه در شكل 25-4 نشان داده شده است،نهايتا به تشكيل ترومبين مي انجامد.از آنجا كه مسيرهاي داخلي و خارجي در محل فعال كردن فاكتور X به هم ملحق مي شوند و يك سري مكانيزمهاي مياني تشكيل ترومبين يكسان،دارند،سري واكنش هاي بعد از فاكتور X تا تشكيل فيبرين،اغلب مسير مشترك (common pathway) ناميده مي شوند (شكل 28-4).
فهم مكانيزم هاي اوليه فعال شدن مسير داخلي براي درك موانع موجود در طراحي بيومتريال هاي در تماس با خون ضروري است.وقتي يك بيومتريال با خون تماس پيدا مي كند،مجموعه اي از پروتوئين هاي در گردش به سرعت جذب سطح آن مي شوند.دو تركيبي كه به سرعت جذب سطح مي شوند كينينوژن با وزن مولكولي بالا (high-molecular-weight kininogen (HMWK)) و فاكتور XII (شكل 29-4) مي باشند.فاكتور XI و prekallikrein كه در سيستم گردش خون وجود دارند،با HMWK تركيب مي شوند.بنابراين وقتي HMWK جذب يك سطح مي شود، prekallikreinو فاكتور XI اغلب در نزديكي فاكتور XII جذب شده،قرار مي گيرند.در جذب سطحي،مقاديري از فاكتور XII فعال مي شود؛اين فاكتور XIIa مي تواند prekallikrein را به kallikrein تبديل كند.
Kallikrein نيز وقتي توسط سطح جذب مي شود، متقابلا هر فاكتور XII غير فعال را فعال مي كند.فاكتور XIIa سپس فاكتور XI را فعال مي كند و مسير داخلي ادامه پيدا مي كند.جالب است كه با تبديل شدن prekallikrein به Kallikrein، مخلوط HMWK-kallikrein مي تواند از سطح desorb شود.اين Kallikrein فعال شده،مي تواند پلي پپتيدهاي كوچك موجود در سرم خون در گردش موسوم به kinin را به صورت آنزيمي خرد كند.كينين ها (مثلا bradykinin)،موجب گشاد شدن رگ هاي خوني شده و نفوذ پذيري شريان ها را افزايش مي دهند،كه براي مرحله التهاب در فرآيند ترميم زخم كه بعد از انعقاد قرار دارد بسيار مهم است (در مقدمه كتاب به اين موضوع اشاره شده است). كينين ها همچنين مي توانند گيرنده هاي درد را تحريك كنند و موجب انقباض ماهيچه هاي صاف شوند كه به پاسخ تشنج رگي كمك مي كند.
2-5-4 نقاط كنترل
آبشار انعقادي را مي توان به عنوان يك سيستم مهندسي پيچيده با حلقه هاي بالقوه اي در نظر گرفت كه در اين حلقه ها واكنش ها مي توانند به سمت جلو يا عقب تغييركنند و به هيچ وجه يك طرفه نيستند.از اين رو پزشكان و مهندسين پزشكي مجبور به اعمال يك سري كنترل ها بر روي فرآيند انعقاد هستند.به عنوان مثال،منعقد شدن خون،وقتي كه خون از يك شخص براي اهدا به شخص ديگر گرقته مي شود،بسيار نامطلوب است و به همين دليل كيسه هاي جمع آوري خون به شكلي طراحي مي شوند تا از انعقاد آن جلوگيري شود.به كمك برخي ازآزمايش هاي تشخيصي،مي توان سرعت لخته شدن را در شرايط مختلف اندازه گيري كرد.لذا براي چنين كاربردهايي كنترل دقيق بر روي انعقاد بسيار ضروري است.با در نظر گرفتن آبشارهاي انعقادي به عنوان يك سيستم،مي توان نقاط كنترل يا مراحلي در آن در نظر گرفت كه براي كنترل فرآيند حياتي هستند.
كلسيم.يون هاي كلسيم براي تمامي واكنش هاي آبشار انعقادي به جز فعال كردن فاكتور XII و XI ضروري مي باشند.در غياب يون هاي كلسيم،خون لخته نمي شود.لذا رسوب دادن يا حل كردن يون كلسيم (با،مثلا،اسيد اتيلن ديامين تترا استيك (ethylendiaminetetraacetic acid) يا EDTA) يك راه براي نگهداري خون در خارج بدن بدون ايجاد لختگي مي باشد.
ترومبين.بايد به اين نكته توجه كرد كه ترومبين يك عنصر اساسي در مسير معمول و در حلقه هاي بازخور است.از اين رو منطقي به نظر مي رسد كه با كنترل ميزان در دسترس بودن و واكنش پذيري آن بتوان كنترل دقيقي بر مراحل انعقاد اعمال كرد.
تاثيرات پلاكت ها.پلاكت ها به سرعت به سطوح بيگانه (غيراندوتليال) مي چسبند كه اين عمل آغازگر فرآيند تجمع پلاكت ها مي باشد.با داشتن درك صحيحي از چگونگي چسبيدن پلاكت ها به يك سطح،مي توان سطوح بيومتريال ها را طوري طراحي كرد كه توسط پلاكت ها ناديده (ignore) انگاشته شوند.علاوه بر آن،فسفوليپيدهاي پلاكت ها (چه از غشاءهاي پلاكت هاي پاره شده رها شده باشند يا بر سطح پلاكت هاي چسبنده و مجتمع شده مشاهده شوند) نقش هاي خاصي در مسيرهاي داخلي و خارجي انعقاد بازي مي كنند.اصولا غشاء پلاكت ها را مي توان به عنوان سطح تسهيل كننده (catalyst) انعقاد در نظر گرفت.
فاكتورهاي انعقادي.فاكتور X متصل كننده دو مسير خارجي و داخلي است كه موجب مي شود يك نقطه اصلي و مهم كنترلي باشد.كمبود فاكتور VIII عامل ايجاد هموفيلي A است كه يك بيماري است كه به واسطه نقص در كروموزوم X ايجاد مي شود.اين بيماري در بسياري از خانواده هاي سلطنتي اروپا كه داراي قرابت فاميلي با ملكه ويكتوريا از انگلستان بوده اند ديده شده است.بيمار ميتلا به اين بيماري با يك جراحت متوسط دچار خونريزي ممتد و بدون وقفه مي گردد كه معمولا تنها با تزريق فاكتور XIII مي توان آن را كنترل كرد.
6-4 عوامل ضدانعقادي و تجزيه فيبرين
مهندسين پزشكي كه به دنبال فهم و كنترل انعقاد هستند،مي توانند از استراتژي هاي مشابه مكانيزم هاي بيولوژيكي كه واكنش هاي انعقادي را تحت كنترل نگه مي دارند،استفاده كنند.يك مكانيزم كنترلي بيولوژيكي نامعين شار يا فلو خون است.حجم خون در گردش عوامل انعقادي را رقيق كرده و آنها را از موضع جراحت خارج مي كند.فاكتورهاي انعقادي فعال شده در كبد از مسير جريان خون خارج مي شوند.يك مكانيزم كنترلي ديگر اين حقيقت است كه،چندين مرحله در آبشار انعقادي تنها وقتي امكان وقوع دارند كه در سطح پلاكت هاي فعال شده كاتاليز شده يا يك محرك موضعي داشته باشند.براي مثال،فعال شدن فاكتورهاي XII وXI به كمك سطح،تسهيل شده ويك محرك موضعي (غير متحرك بر روي سطح) براي وقوع انعقاد ايجاد مي كند.علاوه بر آن،فاكتورهاي IXa و VIIIa از يك تركيب بر روي فسفوليپيدها عموما در معرض سطح پلاكت هاي فعال شده قرار مي گيرند كه اين تركيب فاكتور X را فعال مي كند.تغيير پروترومبين به ترومبين نيز،به وسيله سطح فعال شده پلاكت ها تسهيل كاتاليز مي شود.غشاءهاي پلاكت هاي فعال شده علاوه بر كمك به پيشرفت واكنش با يك سرعت معقول، به موضعي ماندن واكنش هاي انعقادي در محل جراحت كمك مي كنند.بدون حضور فسفوليپيدهاي پلاكت ها،واكنش هاي انعقادي يا اصلا اتفاق نمي افتند يا با سرعت ناچيزي پيش مي روند.
عموما ، در حالت كلي با تعدادي ضدانعقاد طبيعي و مشخص مواجه هستيم.خود اندوتليم به واسطه خواص سطحي اش مانع از وقوع پديده انعقاد مي شود.ماهيت صاف و "لزج" لايه glycocalyx mucopolysaccharide موجود در سطح در تماس با خون اندوتليم،فاكتورهاي انعقادي و پلاكت هاي چسبنده را دفع مي كند.يك پروتئين موجود در غشاء اندوتليال موسوم به thrombomodulin به ترومبين مي چسبد و آن را براي آبشارهاي انعقادي غير قابل استفاده مي سازد.به علاوه،تركيب thrombomodulin-thrombin مي تواند باعث فعال شدن يك پروتئين پلاسما موسوم به پروتئين C شود كه وابسته به ويتامين K است.اين پروتئين نيز به نوبه خود فاكتورهاي Va و VIIIa را غير فعال مي كند.پروتئين S،كه يك پروتئين ديگر پلاسما وابسته به ويتامين K است هم فاكتورهاي Va و VIIIa را غير فعال مي كند.كمبودپروتئين C يا S مي تواند منجر به لختگي بيش از حد شود به طوري كه مانع شار خون در شريان ها و وريدها گردد.
يكي از قدرتمندترين مواد ضدانعقاد طبيعي فيبرين است كه در حين فرآيند انعقاد تشكيل مي شود.حدودا 85 تا 90 درصد ترومبين تشكيل شده در حين فرآيند انعقاد توسط رشته هاي فيبرين كه به نازگي پليمريزه شده اند جذب مي شود .اين موضوع سبب مي شود كه واكنش هاي انعقادي در محل زخم محدود شوند و فرآيند انعقاد نتواند در سراسر سيستم گردش خون پراكنده شود.آنتي ترومبين III ،يك پروتئين سرم،مي چسبد و مقدار زيادي از ترومبين كه تا كنون جذب نگرديده است را طي 20 دقيقه غيرفعال مي كند.وقتي آنتي ترومبين III (ATIII) با هپارين (يك پلي ساكاريد كه به تنهايي هيچ گونه اثر ضدانعقادي ندارد) تركيب شود،بازدهي ATIII در خارج كردن ترومبين از خون،صد تا هزار برابر افزايش مي يابد.تركيب هپارين- ATIII همچنين قادر به غيرفعال كردن فاكتورهاي IXa ، Xa ،XIa و XIIa است.از اين رو هپارين- ATIII به عنوان يك ضدانعقاد قوي كه قادر به كند كردن و يا متوقف كردن مسيرهاي داخلي،خارجي و مشترك استفاده مي شود.معولا مقدار ATIII در خون انسان زياد است ولي مقدار هپارين موجود خود را به عنوان عامل محدود كننده نشان مي دهد كه معيين كننده ميزان هپارين غيرفعال شده است.وارد كردن مقادير اضافي هپارين (از طريق وريدي) به يك بيمار داراي خونريزي يك استراتژي معمول كلينيكي است.
ضدانعقادهايي كه در بالا مورد بررسي قرار گرفتند به عنوان محدود كننده و كنترل كننده لخته خوني عمل مي كنند.وقتي يك لخته تشكيل شد آيا خود به خود با گذشت زمان از بين ميرود يا از بين بردن آن مستلزم يك سري واكنش هاست؟ بسياري از مردم بر اين باورند كه لخته هاي خوني با گذشت زمان شكسته شده و كم كم تكه تكه مي شوند.اين باور از اينجا منشا مي گيرد كه زخم هاي معمولي پوست در طي چند روز به خودي خود بهبود مي يابند. در حقيقت، لخته هاي خوني به صورت فعال و به واسطه يك فرآيند هضم آنزيمي كه شامل يك تاخير زماني 24 نا 48 ساعته است از بين مي روند.در حين انعقاد،پلاسمينوژن،يك پروتئين پلاسماي خون،در داخل لخته به تله مي افتد(همراه با تعداد ديگري از پروتئين هاي پلاسما).بافت آسيب ديده تركيبي موسوم به فعال كننده پلاسمينوژن بافت (tissue plasminogen activator) آزاد مي كند.اين تركيب در طي 1 تا 2 روز پلاسمينوژن را به پلاسمين تبديل مي كند.پلاسمين ،يك آنزيم پروتئوليتيك شبيه به تريپسين،رشته هاي فيبرين لخته و ساير عوامل انعقادي مثل فيبرينوژن،پروترومبين،فاكتور V،VIII و XII را هضم مي كند.مقادير كوچكي از پلاسمين هميشه در سيستم گردش خون فعال هستند.از آنجا كه پلاسمين محصولات انعقادي هر دو مرحله پاياني و مياني را خارج مي سازد،پلاسمين فعال در چرخش مي تواند به شكل واضحي بازدهي فرآيند انعقاد را كاهش دهد.كنترل اين امر با برهمكنش آن با يك پروتئين سرم موسوم به X2-antiplasmin صورت مي گيرد كه پلاسمين را غيرفعال مي كند.در موضع انعقاد،مقدار پلاسمين بايد از يك حد بحراني(لازم براي از بين بردن اثر X2-antiplasmin) بيشتر باشد تا بتواند به عنوان يك عامل فيبرينوليتيك (از بين برنده فيبرين) عمل كند.
بيومتريال ها،ابزارها و ترومبوز
يك اندوتليم سالم و طبيعي موجب ايجاد لخته نمي شود و به عنوان كامل ترين ماده اي كه در تماس با خون بوده و لخته زايي نمي كند،شناخته شده است.در دهه هاي اخير پيشرفت هاي زيادي در طراحي بيومتريال هاي در تماس با خون صورت گرفته است و مقالات زيادي با موضوع و هدف كنترل برهمكنش هاي خون – بيومتريال منتشر شده است. اين بخش يك مرور كامل در مورد زمينه هاي تحقيقاتي مواد خون سازگار نيست بلكه در عوض تمام تلاش آن معطوف به ارائه خلاصه اي از مفاهيم عمده بوده و بر آشنايي بيشتر دانشجويان با برخي از سوالات عمده اين موضوع تاكيد مي شود.مخصوصا،تلاش مي كنيم به برخي سوالات اين چنيني را مطرح كنيم؛چه اتفاقاتي در فصل مشترك خون- بيومتريال امكان وقوع دارند؟اين اتفاقات چگونه مي توانند بر بيمار يا وسيله تاثير بگذارند؟ايده هاي اصلي براي تاثيرگذاري هر چه بيشتر بر ميزان زيست سازگاري بيومتريال كدام است؟زمينه هاي اصلي براي تحقيقات آينده در اين زمينه چيست؟
در يك كتاب مرجع عالي در اين زمينه با عنوان Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine (بخش 9-4 را براي اطلاعات كامل كتاب شناسي ببينيد) نويسندگان Didisheim و Watson برهمكنش هاي خون- بيومتريال را به دو دسته تقسيم مي كنند كه در اينجا به طور خلاصه نقل مي شود؛آنهايي كه بر عملكرد ماده يا وسيله تاثير مي گذارند و دسته اي كه مي توانند تاثيرات مخربي بر بدن بيمار بگذارند.وقتي كه در مورد عملكرد مواد يا وسايل در تماس با خون صحبت مي كنيم بايد حتما از تاثيرات بالقوه جذب (يا رسوب) اجزاي خوني (مثل پروتئين ها،چربيها و كلسيم) بر سطح ماده آگاه باشيم علاوه بر آن ميزان چسيندگي اين موارد هم بسيار مهم است.براي مواد كاشته شده،رشد بافتي در اطراف ايمپلنت و حتي احتمال بالقوه ايجاد يك اينتيما جديد در محل تماس ماده با خون احتمالاتي هستند كه حتما بايد در نظر گرفته شوند.هنگامي كه در مورد محصولات برهمكنش خون- بيومتريال كه مي توانند براي بيمار مضر باشند بحث مي شود، Didisheim و Watson به اين نكته اشاره مي كنند كه بايد چندين عامل در نظر گرفته شوند،شامل:فرآيندهاي انعقاد و از بين رفتن فيبرين،فعال شدن سيستم ايمني،تشكيل ترومبي، يا لخته بر روي سطح ماده،توليد امبولي يا لخته هايي كه از روي سطح مي شكنند و در طول سيستم گردش خون حركت كرده و مي توانند رگ هاي خوني را در جايي ديگر مسدود كنند ودر نهايت جراحت سلول هاي خوني كه مي تواند منجر به كاهش مقدار آنها و مشكلات باليني گردد.براي ابزارهاي كاشتني،intimal hyperplasia يا رشد بيش از حد بافت اينتيمال در تزديكي بيومتريال مي تواند منجر به كاهش آشكار شارش در رگ خاي خوني شود.
بسياري از دانشمندان و مهندسين سعي بر افزايش خون سازگاري بيومتريال ها با تقليد خواص اندوتليم كرده اند.براي مثال،مواد با سطوح بسيار صاف معمولا براي كاربردهاي در تماس با خون استفاده شده اند.برخي از اجزاء خاص غشاء اندوتليالي مي توانند كپي برداري شوند مثلا سطح مي تواند طوري اصلاح شود كه داراي بار منفي شود يا از خاصيت لغزندگي glycocalyx تقليد شود.بيومتريال هاي آبدوست زيادي شناخته شده اند كه در آنها ميزان چسبندگي پلاكت ها و تشكيل ترومبز در مقايسه يا انواع آبگريز كمتر بوده است.گروه هاي تحقيقاتي زيادي مواد ضدانعقادي مثل هپارين را مورد بررسي قرار داده اند.مواد ضدانعقادي مي توانند بر روي سطح بيومتريال بي حركت شوند كه علت اين امر مي تواند رهايش كنترل شده يا استفاده بلند مدت باشد؛يك ماده ضد انعقادي مي تواند در ساختار شيميايي يك پليمر وارد شده و به صورت يك بخش داخلي بيومتريال در آيد.
هر ساله استراتژي هاي تازه و موثري در زمينه توليد مواد خون سازگار مورد توجه قرار مي گيرد اما هنوز مشكلات كلينيكي در مورد آنها وجود دارد كه حتما بايد مورد توجه قرار گيرد. در ذيل به سه مورد از اين موارد اشاره مي شود.
1- رگ هاي خوني. جايگزيني بخش باريك شده يا گرفته يك شريان امروزه به يك فرآيند معمول كلينيكي پزشكي تبديل شده است.در حال حاضر بهترين عملكرد رگ كاشتني از autografts (بافت هايي كه از يك قسمت بدن بيمار برداشته شده و در قسمت ديگري از بدن همان بيمار ترنس پلنت مي شوند) به دست مي آيد.اغلب از وريدهاي saphenous بدين منظور استفاده مي شود.مكانيزمهاي اصلي شكست يك عمليات autografts ترومبز،توليد امبولي و intimal hyperplasia است. Intimal hyperplasia يك رشد بيش از حد (معمولا ساكن) سلول هاي ماهيچه اي صاف است كه منجر به برآمدگي اينتيما در ناحيه رگ مي شود و اغلب در محل هاي اتصال (جاهايي كه بخيه به رگ اصلي انجام شده است) ديده مي شود. Intimal hyperplasia مي تواند كاهش يابد و يا حتي جريان خون داخل گرفت را مسدود كند.به نظر مي رسد هر دو دسته فاكتورهاي مكانيكي و شيميايي در وقوع آن نقش داشته باشند. سلول هاي موجود در شريان ها تنش برشي بيشتر و تغييرات بالاتري از آن را نسبت به وريدها تجربه مي كنند در نتيجه سلول هاي موجود در وريد گرفت شده با رشد بيش از حد ممكن است به اين محيط مكانيكي جديد عكس العمل نشان دهند.محل هاي اتصال مي توانند نقاط كانوني براي كرنش هاي مكانيكي افزايشي بر بافت هاي اطراف باشند. اين كرنش ها هم ممكن است به رشد بيش از حد بافت كمك كنند.جراحت سلول هاي اندوتليال و مرگ آنها در حين فرآيند جدا كردن وريد و كاشتن در موضع مورد نظر مي تواند منجر به تحريك و فعال كرن پلاكت ها و ايجاد لخته شود.برخي محصولات رها شده از پلاكت ها در حين فرآيند انعقاد (مثل فاكتور رشد رها شده از پلاكت ها) مي توانند رشد سلول هاي ماهيچه اي صاف را تحريك كنند.در مورد Intimal hyperplasia در فصل 10 بيشتر صحبت خواهيم كرد.
استفاده از رگ هاي مصنوعي وقتي كه وريدهاي بيمار نتوانند به عنوان autograft استفاده شوند (به علت عدم تطابق ابعادي و وضعيت بيمار) ضروري است.يك ماده رگ مصنوعي كه نتايج كلينيكي خوبي از خود نشان داده است داكرون بافته شده است كه به طور وسيع به عنوان جايگزين رگ هاي با سايز متوسط و بزرگ استفاده شده است.اين گرفت ها ممكن است در معرض خون بيمار قرار گيرند تا "پيش لخته (preclotting)" قبل از كاشت ايجاد شود.با اين كار از تراوش بيش از حد خون از آن جلوگيري مي شود.يك ماده رگ مصنوعي پلي تترافلئورواتيلن بسط يافته است كه ترومبز و hyperplasia كمي از خود نشان مي دهد.البته اين موضوع تا وقتي صادق است كه كه قطر داخلي رگ از حدود 4 ميلي متر بيشتر نباشد.اغلب به گرفت هايي هايي با قطرهاي كمتر براي جايگزيني رگ هاي زير زانو نيازمنديم و هنوز هيچ ماده اي با عملكرد مناسب بدين منظور كشف نشده است.علت اين موضوع مي تواند افزايش تماس خون- بيومتريال به علت كاهش شارش خون در چنين رگ هايي با قطر كوچك باشد.يك علت ديگر نسبت سطح به حجم بالاي آنهاست كه موجب افزايش انعقاد وابسته به تماس سطحي مي شود.
2- اكسيژن دهنده هاي خون.در باي پس قلبي ششي (cardiopulmonary bypass) يك ماشين،خوني كه اكسيژن ندارد از بدن بيمار گرفته و پس از اكسيژن دهي آن را به سيستم گردش خون برمي گرداند.اين ماشين ها شاهكارهاي مهندسي بوده و جراحي قلب باز،اكسيژن رساني به بيماران با شرايط حاد تنفسي و زنده نگه داشتن بيماران بعد از جراحت هاي حاد قلبي- تنفسي تنها به كمك آنها ميسر شده است.خون در چنين ماشين هايي بايد از سطوح بيومتريال هاي بسيار زيادي عبور كند (تيوب ها،مخازن،فيبرها،صفحات و...)،تنش هاي برشي و مكانيكي ناشي از عمل پمپ كردن را تحمل كند،در دماي مناسب و بدون سرد يا گرم شدن زياد باقي بماند و در نهايت بدون آسيب رسيدن به گلبول هاي قرمز اكسيژن دهي شود.در حال حاضر دو نوع اكسيژن دهنده خوني مورد ايتفاده قرار مي گيرند:اكسيژن دهنده هاي حبابي كه در آنها گاز اكسيژن مستقيما با خون مخلوط مي شود و اكسيژن دهنده هاي غشايي كه در آنها اكسيژن از يك ديواره يا غشاء به واسطه نفوذ جذب گلبول هاي قرمز مي شود.جراحت گلبول هاي قرمز در فصل مشترك هوا- مايع در نوع حبابي امكان وقوع دارد لذا بايد توجه ويژه اي صرف شود تا از تشكيل كف جلوگيري شود.جراحت گلبول هاي قرمز در نوع غشايي كمتر است (گرانتر و پيچيده تر هم هست) ولي درجات مختلفي از hemolysis (مرگ گلبول هاي قرمز)،از بين رفتن پلاكت ها و رهايش فاكتورهاي انعقادي هنوز مي توانند اتفاق بيفتند.مواد ضد انعقادي حتما بايد استفاده شود كه ممكن است تاثيرات جانبي ناخواسته ايجاد كنند وبند آمدن خون را مختل نمايند.توسعه هر چه بيشتر بيومتريال هاي خون سازگار و استفاده به جا از آنها در سطوح در تماس با خون مي تواند اين ابزار مفيد را هر چه بيشتر سودمند سازد.
3- دریچه های قلبی.جایگزینی یک دریچه قلبی بیمار یا معیوب با یک دریچه مصنوعی می تواند کیفیت زندگی بیمار را به شدت بهبود بخشد.دریچه های ساخته ده از مواد سنتزی معمولا شامل یک توپی در قفس یا یک صفحه شیب دار هستند تا این توانایی را داشته باشند که خون را به صورت دوره ای وارد کنند.دریچه های سنتزی دارای یک تاریخچه مفصل از نوآوریها و طراحی های مجدد هستند که علت این موضوع پارامترهای مختلف در طراحی و تولید مواد بوده است.البته شرایط کاری بسیار سخت این مواد هم در این موضوع بی تاثیر نبوده است (حرکت با تکرار های بالا موجب ایجاد خستگی مکانیکی،برهمکنش های شیمیایی با خون و ... می شود).با وجود اینکه مواد زیادی به عنوان دریچه قلبی مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته اند،ولی هنوز هم امکان ایجاد امبولی به علت لخته زایی سطح بیومتریال در تماس با خون وجود دارد.با هدف کاهش لخته،امروزه سعی بر مجتمع سازی دریچه مصنوعی با بافت اطرافش و تولید یک لایه انتهایی طبیعی (natural leaflet closing) می شود و دریچه های قلبی بافتی به شدت مورد توجه هستند.
دریچه های بافتی می توانند آلوگِرَفت باشند یعنی اینکه از یک عضو همان گونه در بدن عضو دیگر ترانس پلنت شوند (در اینجا از یک اهدا کننده انسان به فرد دیگر پیوند زده شوند) یا اینکه زِنوگِرَفت باشند بدین معنی که از بدن یک نوع به بدن نوع دیگر پیوند زده شوند (برای دریچه های قلبی،بافت های خوکی و گاوی اغلب استفاده می شوند). آلوگِرَفت ها معمولا از کالبد شکافی به دست می آیند اما استفاده آنها به شدت محدود است که علت را باید در مشکلات مربوط به در دسترس بودن و تنظيم كردن ابعاد دانست.دريچه هاي قلبي زِنوگِرَفت،عموما دريچه هاي خوكي و يا آنهايي كه از پريكارد گاوي ساخته مي شوند امروزه خيلي بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند.اين دريچه ها استعداد كمتري براي لخته زايي در مقايسه با انواع سنتزي دارند اما مشكلات خاص خود را دارند.بافت بايد به صورت شيميايي اصلاح شود تا بدن بيمار واكنش هاي ايمني نسبت به بافت خارجي از خود نشان ندهد (در فصل 6 بحث شد).اصلاح با glytaraldehyde به نظر مي رسد موجب كاهش مورد نظر در واكنش هاي ايمني بدن شود ولي اين ماده پيوند عرضي با كلاژن موجود در بافت ها ايجاد مي كند.اين پيوند عرضي ورقه هاي بافتي را سفت مي كند و موجب تغيير خواص مكانيكي بافت مي شود در حالي كه انعطاف پذيري ورقه هاي بافتي براي كاركرد دراز مدت دريچه قلبي ضروري است.فساد بافتي،كلسينه و سفت شدن و افت خواص ناشي از خستگي مواردي هستند كه بايد در بررسي و توسعه درچه هاي زِنوگِرَفت مورد توجه قرار گيرند.براي كسب اطلاعات بيشتر بخش 9-4 كتابشناسي را ببينيد.
پلي يورتانها به دسته اي از مواد شيميايي اطلاق مي شوند كه از واكنش پليول ها و ايزوسيانات ها به عنوان قسمتي از مواد اصلي PU ساخته مي شوند. 
کارشناسی ارشد بیومتریال