استفاده از بیوراکتور در پزشکی فضایی - ۲

بیوراکتور

زندگى سلول ها مانند حیات در یک شهر، وابسته به نوع ارتباطات و مجاورت با یکدیگر است و از این طریق کنترل مى شود. پیدایش بیماری هایى نظیر سوء تغذیه در ماهیچه ها، پیدایش تخلخل در استخوان ها، کورى تدریجى، گسترش سلول هاى سرطان ساز در بدن حاصل از ارتباطات نادرستى است که ممکن است سلول ها با هم داشته باشند. بنابراین مطالعه بدن در شرایطى که تحت تاثیر جاذبه قرار دارد،امکان بررسى رشد سلول ها و مشارکتشان با یکدیگر در محیط کم جاذبه را مقدور نمى سازد. حال این که بیوراکتور، نوعى همکارى بین سلول ها را در محیط کم جاذبه ایجاد مىن ماید به گونها ى که سلول ها در یک محیط چرخان بسته رشد مى کنند.

بیوراکتور سامانها ى است که به منظور تحقیق و بررسى فعالیت هاى بیولوژیکى و زیستى سلول ها در محیط کم جاذبه ساخته شدها ست. این سامانه داراى محفظها ى است که در آن سلول ها همراه با فرایندهاى شیمیایى اعمالى مانند فعالیت هاى زیست-شیمى مورد بررسى قرار مى گیرند. این فرایندها شامل واکنش هاى هوازى و غیرهوازى است.

شکل اصلى یک بیوراکتور استوانها ى و یا جعبه مانند است و معمولا از جنس فولاد ضد زنگ ساخته مى شود. از این وسیله براى رشد سلول ها و بافت ها استفاده مى شود و به طور گسترده در مهندسى ژنتیک کاربرددارد. طراحى و ساخت بیوراکتور دارای پیچیدگى هاى خاص مهندسى است.

در این وسیله میکرو ارگانیزم ها و سلول ها در یک شرایط بهینه قادر به عملکرد مطلوب 100 درصد خواهند بود. در واقع این سامانه با ایجاد زمینها ى مناسب براى رشد سلول ها و بافت ها در محیطى مشابه با فضا، راهکارهایى به منظورکاهش رشد سلولى را در حالت غیرطبیعى ارائه مى دهد. در شکل( 1) و ( 2) به ترتیب بیوراکتور و محفظه چرخنده نشان داده شده است.

زیرسامانه هاى تشکیل دهنده بیوراکتور

در قلب اصلى این دستگاه کیسها ی پلاستیکى 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 3 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 بوجودآمده، از صافى استفاده مى شود که با سرعت 11 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.

و زمانی که کیسه انبار مواد زائد پر شد، فضانوردان آن را خارج نموده و کیسه جدیدى را جایگزین مى نمایند. دریچه ها و تلمبه هاى تزریق به نوعى قرار گرفته اند که امکان حرکت اجزاء 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 اعلام مى شود. اطلاعات از طریق صفحه نمایشگر نصب شده روى دستگاه ارائه مى شود. نمایش نمودارهاى گرافیکى که حاوى اطلاعات مفیدى است، کار با دستگاه را بسیار آسان کرده است.

شکل ( 3 الف)، بیوراکتور و صفحه نمایشگر، شکل( 3ب) بیوراکتور و محفظه هاى رشد سلولى را نشان می دهند.

شکل( 3 الف)- بیوراکتور و صفحه نمایشگر

شکل(3 ب)- بیوراکتور و محفظه هاى رشد سلولى

رشد سلول ها توسط حفاظ و بدنه هاى شفاف موجود در دستگاه قابل رویت است. در مرکز این نگهدارنده، فیلترهایى وجود دارد که مواد مغزى و اکسیژن وارد آن شده و دىا کسیدکربن و مواد زائد از آن خارج مى شوند. 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 تجربها ى که فضانوردان در فضا و محیط کم جاذبه احساس مى کنند.

نرخ چرخش 14 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 نموده و تاثیرات جاذبه کم در سلول هاى ایمنى بررسى مى شوند. در شکل ( 4) تعلیق سلول ها در جاذبه زمین و جاذبه کم به خوبى نمایش داده شده است.

شکل 8 - 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 4- تا 50 - درجه سانتى گراد ( دمایى نزدیک به انجماد سلول هاى بدن) را تعبیه نماید. هر حفره خود داراى سه بخش است. درون هر بخش کیسه های شفافی از جنس تفلون وجود دارد که نگهدارنده 30 میلى متر مواد از جمله سلول ها است.

هر 7 تا 21 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 محفظها ى با مواد تازه منتقل می کنند. سپس یک ماده تثبیت کننده را درون این محفظه هاى سلولى تزریق نموده تا سلول ها را درشرایط مناسبت تر و حتى بعد از اتمام عملیات پروازى در روى زمین بررسى سلول ها نیز در زیر (zn) خون و روی pH ، کنند. مقدار گلوگز و میکروسکوپ اندازه گیرى می شوند. شرایط محیط در برگیرنده بیوراکتور مانند نرخ جریان گاز (هوا، اکسیژن، نیتروژن و دىا کسیدکربن)، دما، سرعت چرخش دورانى محفظه و بسیارى موارد دیگر باید به دقت کنترل و بازبینى شوند.